Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка экспериментального образца микросервера для создания перспективных высокоплотных высокопроизводительных вычислительных систем

Докладчик: Васильев Александр Олегович

Должность: Менеджер проектов отдела государственных контрактов ОАО "Т-Платформы"

Цель проекта:
Целью прикладного научного исследования и экспериментальной разработки является разработка опережающего научно-технического задела в области создания микросерверных вычислительных систем, обеспечивающих гипермасштабируемость, высокую плотность монтажа и энергоэффективность. Увеличение спроса на облачные сервисы, приложения WEB2.0, хостинг, электронную коммерцию и сервисы IP-телефонии и IP-видео ведет к увеличению числа корпоративных и государственных центров обработки данных (ЦОД) и расширению и модернизации существующих ЦОД. Ведущие аналитические агентства, в том числе Gartner, полагают, что одним из методов решения проблемы наращивания вычислительных мощностей станет создание систем с гипермасштабированием (hyperscale servers). Данные системы будут характеризоваться высокой плотностью установки физических серверов на каждый юнит стоечного пространства (до 10-12 микросерверов против 2-3 серверов на 1U сегодня) и использованием энергоэффективных микропроцессоров начального уровня. Ожидается, что к 2017-2018 году подобные гипермасштабируемые архитектуры могут занять до 20% мирового рынка серверов, поставляемых в ЦОД. Подобные системы позволят решить часть проблем, связанных с расширением площадей вычислительных залов, их охлаждением, снижением ТСО на 10-35%, в том числе, в связи с оптимизацией расходов на энергоснабжение и охлаждение. Power Efficency Unit (PUE), или соотношение энергопотребления сервера и энергии, необходимой на его охлаждение, будет стремиться к показателям ниже 1,0. Альтернативные архитектуры серверных микропроцессоров на базе 64-разрядных архитектур ARM A57/A53 могут занять до 17% мирового рынка серверов уже к 2018 году, тем самым распространившись из класса клиентских устройств в класс серверных и апплаенс-устройств. Спрос на микросерверные системы будет зависеть от удельной производительности каждого типа микропроцессоров, спектра и готовности приложений, простоты перехода на новую архитектуру микропроцессоров и новые форм-факторы систем. Ожидается создание как систем в традиционных серверных форм-факторах (19” монтажные шкафы, высота устройства 1 - 10U) так и специализированных, высокоплотных и масштабируемых конструктивных исполнениях для крупнейших ЦОД и интернет-компаний. Таким образом, общая проблема, стоящая перед компьютерной отраслью, заключается в разработке перспективных архитектур и технологий для микросерверных систем, которые будут обладать гипермасштабируемостью, высокой плотностью монтажа и энергоэффективностью.

Основные планируемые результаты проекта:
Основными результатами ПНИЭР будут являться ключевые проектно-конструкторские и программные решения (вновь разработанные конструкторские решения, модели, методы, алгоритмы и программы) микросервера для создания перспективных высокоплотных высокопроизводительных вычислительных систем с уровнем отработки, обеспечивающим практическую осуществимость создания критических компонентов новой продукции для внедрения (промышленного освоения) результатов ПНИЭР.
Ожидаемые результаты ПНИЭР будут представлены в:
1) технической документации, которая будет включать эскизную (рабочую) конструкторскую и программную документацию в соответствии с требованиями национальных стандартов, в том числе Системы разработки и постановки продукции на производство (СРПП), Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), Единой системы программной документации (ЕСПД) и иных действующих в России стандартов нормативно-технической документации;
2) отчетах о патентных исследованиях по ГОСТ Р 15.011-96.

Микросервер будет функционировать в составе облачной вычислительной системы путем создания и запуска на нем или его унифицированных процессорных модулях программной среды поддержки облачных вычислений.
В микросервере будет реализована возможность масштабирования методом подключения дополнительных микросерверов.
Микросервер будет обеспечивать возможность масштабирования облачной
вычислительной системы, развертываемой на его базе, до 1000 Микросерверов.
Микросервер будет обеспечивать выполнение следующих задач:
− создание на нем или его унифицированных процессорных модулях виртуальных машин и их запуск;
− ввод исходных данных и вывод результатов данных выполнения пользовательских приложений;
− компиляция и выполнение пользовательских приложений на виртуальных машинах;
− подключение и отключение дополнительных Микросерверов и виртуальных машин;
− управление конфигурацией виртуальных машин и облачной вычислительной системы для эффективного распределения вычислительных ресурсов;
− связь с устройствами хранения данных, в том числе виртуальными, и другой инфраструктурой облачной вычислительной системы или ЦОД.
Взаимодействие Микросервера с другими Микросерверами и устройствами облачной вычислительной системы или ЦОД на аппаратном уровне будет осуществляться на базе технологии 10 Gigabit Ethernet.
Взаимодействие Микросервера с другими Микросерверами и устройствами облачной вычислительной системы или ЦОД на программном уровне будет осуществляться посредством ПО Микросервера.
Микросервер будет поддерживать следующие операционные системы ОС:
− RHEL;
− Ubuntu.

Микросервер будет реализован по типу «блэйд-сервер», при этом его конструкция будет обеспечивать плотность размещения в нём не менее 12 унифицированных процессорных модулей. Микросервер будет совместим с существующими БНК второго уровня размера 5U, обеспечивая плотность размещения в них не менее 60 унифицированных процессорных модулей.
Вычислительная производительность одного унифицированного процессорного модуля будет составлять не менее 64 ГФлопс, вычислительная производительность микросервера – не менее 3,8 ТФлопс.
Таким образом, микросервер будет обладать следующими конкурентными преимуществами:
1. По показателю энергоэффективности, которая будет составлять не менее 1,5 ГФлопс/Вт, микросервер будет превосходить не менее чем на 20 % лучшие мировые аналоги.
2. По плотности компоновки и количеству микропроцессоров на единицу (1U) стоечного пространства микросервер будет превосходить существующие аналоги в 2-3 раза.
3. Совокупная стоимость владения ЦОД, развернутого на базе микросерверов, будет на 10-30 % ниже, совокупной стоимости владения ЦОД, оснащенного вычислительными системами со стандартной архитектурой.

Для внедрения ожидаемых результатов ПНИЭР необходимо выполнение следующих работ:
− проведение в течение 1 года необходимого объёма опытно-конструкторских работ по теме «Разработка микросервера для создания перспективных высокоплотных высокопроизводительных вычислительных систем» на основе проведенных ПНИЭР (2017 г.);
− подготовка и освоение производства/внедрения новой технологии путем создания нового производства / модернизация существующего, производство на территории Российской Федерации (2018 г.).

Вышеперечисленные работы будут производиться с привлечением материально-сырьевых и финансовых ресурсов, кадров необходимой квалификации, производственных мощностей и инфраструктуры Индустриального партнера – «Объединенной приборостроительной корпорации». «Объединенная приборостроительная корпорация» — российская государственная корпорация, созданная в марте 2014 года в составе Государственной корпорации «Ростех» (ранее – «Ростехнологии») как специализированная управляющая компания, под эгидой которой объединены научные и производственные структуры радиоэлектронной промышленности России.

Для снижения рисков, первоначально будут интенсивно разрабатываться архитектура и технологические решения для системы уровня шасси, экспериментальный образец которой позволит проверить эти решения, протестировать работоспособность микросерверов, их производительность, энергопотребление и надежность всей конструкции. При этом конструктивные решения и архитектура, заложенные в данную систему, позволят унифицировать некоторые элементы и избежать затраты на разработку части узлов системы уровня стойки.
Преимуществом такого подхода является то, что научно-технические результаты, полученные в рамках предлагаемой НИР, позволят в дальнейшем создать две системы, покрывающие большой сегмент рынка вычислительной техники. Система начального уровня будет пользоваться спросом со стороны малых и средних компаний, в то время как вторая система предоставит возможность заявить о конкурентном преимуществе как уникальный продукт класса High End, спрос на который, в первую очередь, можно ожидать со стороны российских и западных интернет-компаний, российских министерств и ведомств, оборудующих ЦОД под решение государственных задач.
Меры государственной поддержки ПНИЭР на федеральном и/или региональном уровне могут включать:
1) Формирование инструментов и механизмов стимулирования спроса на отечественные средства вычислительной техники (ВТ), в т.ч. законодательное закрепление приоритета отечественных средств ВТ при осуществлении закупок для государственных нужд и нужд отдельных категорий юридических лиц;
2) Создание финансовых инструментов поддержки разработок, развития и усовершенствования аппаратных и технологических решений;
3) Изменение действующей и формирование новой нормативно-правовой базы в области стандартизации и сертификации средств ВТ;
4) Стимулирование спроса, путем создания потребности в унификации разрабатываемых решений, с целью необходимости их использования в различных сферах для решения широкого круга задач.

Оценка рисков выполнения проекта и анализ возможных факторов, способных оказать негативное воздействие на ход выполнения работ показывают наличие рисков конъюктурного и коммерческого характера:
1) В настоящий момент микросерверы являются перспективным сегментом и приобретаются группой «ранних инноваторов». Однако большинство потребителей пока не готово к закупкам в силу:
− низкой производительность процессоров – в основном, производительность достаточна лишь для части интернет приложений;
− узости выбора готовых платформ;
− отсутствия массовой истории использования данных систем;
− относительной узости апробированных приложений.
2) Вторым большим риском являются ограничения, связанные с потенциальной емкостью российского рынка. По данным IDC, общее количество серверов стандартной архитектуры, продаваемой в РФ, составляет около 140 тысяч серверов в год. Таким образом, на начальном этапе вывода продукта уровня шасси на рынок, потенциальная целевая емкость рынка составит не более 10 тысяч микросерверов в год. Поэтому, разработка целевых проектов, позволяющих увеличить производимое количество систем, в частности, создание финансируемых государством суперкомпьютеров экзафлопс-уровня с использованием десятков тысяч микросерверов и ускорителей, позволят снизить себестоимость и улучшить конкурентоспособность микросерверных систем обоих классов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
По завершении ПНИЭР на основе ожидаемых результатов ПНИЭР Индустриальным партнёром во взаимодействии с Получателем субсидии будет разработан серийный образец масштабируемого высокоплотного энергоэффективного интегрированного микросервера, использующего унифицированный микросерверный модуль.
Микросервер будет предназначен для исполнения массово-параллельных вычислительных задач в составе высокопроизводительных микросерверных вычислительных систем для центров обработки данных (ЦОД) различного уровня и облачных вычислений.

Микросервер будет функционировать в составе облачной вычислительной системы путем создания и запуска на нем или его унифицированных процессорных модулях программной среды поддержки облачных вычислений, при этом будет реализована возможность масштабирования вычислительной системы методом подключения дополнительных микросерверов.

Микросервер будет обеспечивать возможность масштабирования облачной вычислительной системы, развертываемой на его базе, до 1000 микросерверов.

Результаты ПНИЭР могут быть использованы при разработке вычислительных систем различных уровней.
1. Микросерверная система уровня шасси будет массово использоваться в суперкомпьютерных инсталляциях в России и в Европе. Поскольку в качестве базовой платформы будет взято полученное в рамках предлагаемых ПНИЭР решение, затраты на разработку серийной системы будут снижены в 2-3 раза по сравнению со сценарием разработки системы с нуля. Система будет поддерживать архитектуры х86 / ARM / Эльбрус и позволит «закрывать» достаточно широкую гамму приложений и нагрузок. При этом шасси, блоки питания, часть конструкции поддонов микросерверов, будучи унифицированными, позволят держать низкие остатки по складам.
2. Специализированная стойка с недорогой компонентой базой. Стойка может быть разбита на несколько взаимосвязанных конструктивных элементов, каждый из которых имеет посадочные места для установки шасси с микросерверами. Система будет иметь возможность индивидуальной горячей замены микросервера, на 15% большую плотность монтажа электронных компонентов, низкое время их развертывания в стойке и низкую стоимость эксплуатации и обслуживания. Помимо этого, может быть предусмотрено использование коммуникационной сети на базе технологии Ethernet, а также возможность установки блока с жесткими дисками для организации централизованной системы хранения данных (СХД) на базе протоколов файлового и блочного доступа и др.
Профильными заказчиками для микросерверной системы уровня стойки на начальном этапе могут быть интернет-компании и поисковые системы, закупающие до 100 тысяч серверов в год, а в дальнейшем система может быть адаптирована для применения в пилотных национальных проектах по созданию экзафлопсных суперкомпьютеров, а также будет предлагаться суперкомпьютерным центрам в Европе.
Общая среда управления и опции для создания внешней СХД, базирующейся на микросерверах. Связка сервер-система управления-СХД является классическим элементом дифференциации ведущих мировых серверных разработчиков и производителей. Это позволит говорить о готовой экосистеме микросерверных продуктов.
Данные маркетингового анализа и перспектив реализации продукции показывают, что увеличение спроса на облачные сервисы, приложения WEB2.0, хостинг, электронную коммерцию и сервисы IP-телефонии и IP-видео ведет к увеличению числа корпоративных и государственных центров обработки данных (ЦОД) и расширению и модернизации существующих ЦОД. Сложившиеся в последнее время тенденции развития сегмента серверов и сложных вычислительных систем имеют следующие особенности.
1. Нехватка площадей, электроэнергии для питания и охлаждения новых систем, и операционные расходы, превышающие за 3-4 года эксплуатации систем их начальную стоимость, заставляют ИТ-индустрию искать способы снижения финансовых затрат при постоянном наращивании вычислительных мощностей и объемов хранения данных.
2. Начиная с середины 2000-х годов, происходит постепенное «уплотнение» вычислительной мощности, появляются серверные системы типа «блейд» и экономичные серверы повышенной плотности для применения в ЦОД. Классические одно- и двухюнитовые стоечные серверы, составлявшие до 80% рынка серверов x86 еще десятилетие назад, постепенно теряют свои позиции перед системами с плотностью более одного сервера на один юнит стоечного пространства.
3. Эволюция технологии виртуализации физических серверов постепенно превращает весь ЦОД в совокупность логически разделенных или объединённых ресурсов, динамически реагирующих на спрос и загрузку со стороны приложений.
4. Новый толчок экономичным плотным системам дал постоянный спрос со стороны интернет-компаний (Amazon, Facebook, Google) на заказные бюджетные сервера, быстро развертываемые на уровне стойки или сразу смонтированные в специализированных стойках.
5. Наблюдается рост спроса на высокопроизводительные приложения HPC и BigData, также строящиеся на базе централизованных площадок и высокоплотных систем, без использования стандартных корпоративных серверов. Например, семейства Dell PowerEdge С, IBM iDataPlex, HP Proliant SL, SuperMicro Twin2 и FatTwin.
6. Наконец, политика Bring Your Own Device (BYOD) и повсеместное проникновение мобильных технологий изменили паритет в сегменте микропроцессоров для клиентских приложений, где драматически увеличилась доля устройств с процессорами архитектуры ARM и где архитектура x86 утратила исторические доминирующие позиции. Это, а также постоянно увеличивающееся количество производителей, разрабатывающих энергоэффективные архитектуры на базе ARM, начинает влиять и на рынок энергоэффективных серверов начального уровня.
Таким образом, результаты ПНИЭР будут направлены на опережающее формирование принципиально новых рынков и рыночных ниш вычислительной техники, важных для национальной экономики, и формирование экосистемы микросерверных продуктов, и ориентированы на потребности, с которыми столкнется российское общество в ближайшие 5-7 лет.

Текущие результаты проекта:
На текущей стадии проекта в соответствии с согласованным планом-графиком работ находятся на стадии исполнения следующие мероприятия:
− Проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
− Выполнение вариантов возможных решений, установление особенностей вариантов (характеристики вариантов составных частей и т.п.) Микросервера, их конструкторская проработка;
− Проведение оценки Микросервера по показателям стандартизации и унификации;
− Выбор оптимального варианта (вариантов) Микросервера, обоснование выбора; принятие принципиальных решений; подтверждение (или уточнение) предъявляемых к изделию требований (технических характеристик, показателей качества и др.), установленных техническим заданием, и определение технико-экономических характеристик и показателей, не установленных техническим заданием;
− Выявление на основе принятых принципиальных решений новых изделий и материалов, которые должны быть разработаны другими предприятиями (организациями), составление технических требований к этим изделиям и материалам.
− Выявление вариантов конструктивных решений, имеющих лучшие предпосылки для рационального членения и компоновки изделия;
− Выявление возможности заимствования составных частей изделия;
− Расчет показателей технологичности вариантов конструкции изделия;
− Выбор варианта конструктивного решения и (или) компоновки основных составных частей изделия;
− Технологический контроль конструкторской документации (ГОСТ 14.206-73): правильность выбора варианта конструктивного решения в соответствии с требованиями технологичности.

В части работ, направленных на обеспечение дальнейшего практического использования результатов работ (коммерциализации), находятся на стадии исполнения следующие мероприятия:
− Проведение предварительных маркетинговых исследований;
− Разработка проекта бизнес-плана выполнения проекта в целом;
− Создание специализированного сайта в сети Интернет, посвященного проводимым работам.