2018/04/27

工作负载就绪 | 顶级计算密度、存储“性能怪兽”、最快的网络都准备好了，戴尔HPC还差什么？

唐僧

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引言

大数据已成为HPC最重要的应用领域，戴尔PowerEdge FX2集刀片和多节点机架式服务器的技术优势于一身，不仅为用户化解计算密度、空间占用、网络布线的权衡之困，更令用户轻松获得顶级计算密度、存储性能，以及超快网络应用。

在之前的《从HPC到大数据：戴尔-Intel Lustre存储解决方案》一文中，我们曾经谈到用于高性能计算的文件系统已经开始添加大数据（Hadoop）方面的支持。

如上图，从中国超算Top100来看大数据已经成为HPC最重要的应用领域。

那么，大数据分析对高性能计算设备——服务器、存储和网络方面有什么新的要求吗？在本文中我们仍聚焦基础架构，为大家介绍上述领域的创新，包括几款已经或者即将发布的特色产品，以及真实的客户案例。

HPC服务器进化方向

计算密度、GPU/协处理器

这张图是戴尔服务器产品线在HPC计算单元中的布局，蓝色箭头最底下一行是通用节点，即标准化的1U/2U/4U服务器。上面则是HPC优化型产品，最左边的PowerEdge C4130是1U高度，支持4块NVIDIA Tesla GPU或者Intel Xeon Phi co-processors计算加速卡；C6320则是比较典型的2U 4节点；安装FC430节点高密度CPU的FX2是本文要讨论的重点；再往右有M630刀片服务器；最右边是定制的模块化数据中心。

HPC应用多为大规模集群部署，计算密度直接关系着空间占用，进而影响到机房设计、网络布线等方面。早期的计算能力基本上是堆CPU；后来随着GPU/协处理器在通用计算领域的应用，算是第二个设计方向。当然后者还要特别考虑编程和效率的问题。

本文讨论重点之一就是提高HPC的CPU计算密度。

服务器形态进化

来自Dell的极限密度

回首当年，服务器从机架式衍生出刀片式，不仅提高了计算密度，集成了网络交换单元，还可以集成共享存储单元（DAS或者iSCSI刀片存储模块）。刀片最大的优势是管理，能降低运维工作量。

曾经有一段时间，连超大型HPC集群都开始选择刀片式服务器。不过一方面它在同等计算能力下的成本要高于机架式服务器，另一方面它的计算密度还有没有可能再提高？

于是在数年前，开始出现一些多节点机架式服务器，比如1U双节点、2U四节点——被人们称为双子星和四子星。在保持刀片计算密度的同时，成本上显著降低，加上机架空间的节省，TCO比传统机架式服务器还要低，因此受到一些云计算和HPC用户的青睐，比如戴尔PowerEdge C系列中的C6320。

多节点机架式服务器中目前最流行的就是2U四节点，门槛不高（自己做不了的品牌可以找ODM供应商）。与刀片相比，它们没有集成网络交换和强大的管理功能；与机架式相比，它们的存储和I/O扩展性一般；为了优先考虑成本，品质上就可能有所取舍。

当我们看到戴尔PowerEdge FX2时，第一印象是它集合了刀片和多节点机架式服务器的技术优势。首先是计算密度——2U内最多可以支持8个双插槽Xeon CPU节点；其次是灵活性——可选多种服务器节点；还有扩展性——包括可拆分的DAS存储节点、多种网络直通/交换模块；以及CMC机箱集中式管理。

戴尔PowerEdge FX2组件全家福

以上是PowerEdge FX2模块化系统支持的组件，这里除了服务器节点、还包括存储单元和网络交换模块（I/O聚合器）。图中的数量比较多，是因为每种型号还有不同的硬盘/SSD驱动器托架可选。

正是这种灵活性，使FX2可以有多种应用方向，比如我们在《硬件辅助超融合：任意云中的全闪存VSAN》一文中介绍的分布式存储/超融合。而本文既然是谈HPC，自然是讨论计算密度最高的FC430。

使用当前Intel Xeon处理器的FX2 w/FC430，

计算性能密度可达业界领先的4.1TFLOPS/U

PowerEdge FC430的一大特点就是超高的计算密度——2U 8个1/4宽度双插槽节点，尽管由于功耗和散热的限制，它只支持到14核Xeon E5-2600v3 CPU，但2U内密度已高达224 core，因为空间关系，内存的密度有所权衡——64 DIMM（每节点8条，每通道1条）。

PowerEdge FC430服务器节点主板示意图

FC430专为HPC设计的

InfiniBand接口

超高的计算密度，很容易让人联想到HPC高性能计算应用。为此，FC430除了每节点2个1.8英寸SSD的存储配置之外，还有一种单SSD配置——就是为了在前面板上增加一个InfiniBand高速网络接口（下面有一张放大图）。

值得一提的是，PowerEdge FC430还支持一种单插槽Xeon E5-1600 v3的配置，这就是针对HPC应用中对主频敏感的那些（单线程优化）程序，可以选择降低CPU核心数来提高主频。

如上图，我们可以看到FC430主板PCB上的元件密度，以及前端IB Mezz夹层扩展卡插槽的位置。这对于服务器硬件设计能力也是一种考验。

据我们了解，国内某高性能计算用户选择戴尔PowerEdge FX2平台部署了超过200计算节点的FC430，由于机房设计合理，没有遇到散热和供电方面的问题。存储方面采用Lustre集群，包括8个OSS（对象存储服务器）节点。整体互连选择了10Gb以太网，配置Dell Networking Z9500万兆交换机。

集中管理

CMC堆叠简化网络

如上图，我们用红圈标出的部分是PowerEdge FX2机箱的CMC管理模块，上面的Gb2网口可以用于堆叠模式。比如在一次测试中，10个机箱的CMC以菊花链形式连接在一起，相邻的两台之间仅需要超短线缆，而对外只用一条上联网线，可以显著降低管理网络的复杂度。

通过Chassis Group，多套PowerEdge FX2可以在单个界面中统一管理。

性能怪兽DSSD

在HPC存储中的应用案例

许多朋友应该知道，Lustre和GPFS是HPC存储使用最多的文件系统，它们的共同特点是支持大规模集群并行提供高容量和高带宽。那么随着大数据分析在高性能计算中的增多，有没有需要高IOPS、低延时存储的场景呢？

位于美国德州Austin TACC（田纳西高性能计算中心）的wrangler HPC系统，戴尔作为硬件供应商参与了该项目，提供服务器设备等。该项目最大的亮点是采用了EMC即将正式发布的闪存存储DSSD。

DSSD本身闪亮的性能指标我们就不再这里展开了，大家有兴趣可以关注近日发布的消息。上图引用自赵军平老师的文章，在TACC这套HPC系统中，预期单计算节点的访问性能即可达到最高12GB/s和超过200万IOPS。

DSSD的另一大特色就是Key-Value对象访问接口，包括原生REST API以及Hadoop插件；另外它也提供Block（块）和POSIX兼容的文件访问，其好处就是兼容Oracle数据库等传统应用。

DSSD专门针对高性能数据密集型工作负载设计，上图中列出了它的部分应用领域：（商业）欺诈检测、风险分析、预测模型、基于流式数据的准实时分析、金融-交易模型、政府机构-设计仿真、石油&天然气-（地震数据）求解仿真网格、生命科学&研究。

在这里面有许多属于高性能计算领域，我们预计随着戴尔与EMC的合并，新公司强有力的产品组合将提供更有竞争力的HPC解决方案。

新一代网络互连

100Gb的OPA要来了

伴随单节点计算和存储性能的不断提高，网络I/O瓶颈也需要突破。我们看到在存储方面DSSD创新地采用了PCIe主机接口；而计算节点之间除了Mellanox 100Gb/s EDR InfiniBand之外，还有同样带宽、备受关注的下一代互连技术——为可扩展HPC系统设计的Intel Omni-Path架构（简称OPA）。

如上图，戴尔与Intel合作，准备了H系列OPA交换机和网卡。与同样速率达到100Gb/s的以太网卡和IB HCA相似，OPA网卡也采用PCIe x16接口以满足其带宽。OPA的颠覆之处是将会集成到未来的Intel CPU当中，届时预计会迎来该技术在HPC乃至更多领域的爆发。

顶级计算密度、存储“性能怪兽”、最快的网络都准备好了，戴尔HPC还差什么呢？

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