Našumo atskleidimas: blokinė saugykla didelio našumo kompiuterijoje

Didelio našumo kompiuterija (HPC) tampa vis svarbesnė įvairiose srityse, pradedant moksliniais tyrimais ir inžinerinėmis simuliacijomis, baigiant finansiniu modeliavimu ir dirbtiniu intelektu. HPC pagrindas – poreikis efektyviems ir mastelį keičiantiems duomenų saugojimo sprendimams, galintiems neatsilikti nuo didžiulių skaičiavimo reikalavimų. Blokinė saugykla tapo esminiu komponentu, tenkinančiu šiuos poreikius. Šiame išsamiame vadove nagrinėjamas esminis blokinės saugyklos vaidmuo HPC, jos privalumai, iššūkiai ir ateities tendencijos, pateikiant įžvalgas, aktualias tyrėjams, IT specialistams ir sprendimų priėmėjams visame pasaulyje.

Kas yra blokinė saugykla?

Blokinė saugykla – tai duomenų saugojimo architektūra, kuri padalija duomenis į vienodo dydžio blokus, kurių kiekvienas turi unikalų adresą. Šie blokai saugomi nepriklausomai, leidžiant atsitiktinę prieigą ir efektyvų nuskaitymą. Skirtingai nuo failų saugyklos ar objektų saugyklos, blokinė saugykla suteikia tiesioginę prieigą prie neapdorotų saugyklos tomų, suteikdama didesnę kontrolę ir lankstumą. Dėl šios savybės ji ypač tinka programoms, reikalaujančioms didelio I/O našumo ir mažos delsos – pagrindinių atributų HPC aplinkose.

Įsivaizduokite blokinę saugyklą kaip atskirus konteinerius, kuriuos galima pasiekti ir modifikuoti nepriklausomai. Tai skiriasi nuo failų saugyklos, kuri organizuoja duomenis į hierarchinę failų ir aplankų struktūrą, panašiai kaip failai saugomi jūsų kompiuteryje. Kita vertus, objektų saugykla valdo duomenis kaip objektus su metaduomenų žymėmis, todėl ji idealiai tinka nestruktūrizuotiems duomenims, tokiems kaip vaizdai ir vaizdo įrašai.

Blokinės saugyklos reikšmė HPC

Blokinė saugykla atlieka lemiamą vaidmenį HPC dėl kelių priežasčių:

• Didelis našumas: Blokinės saugyklos sprendimai, ypač tie, kurie naudoja kietojo kūno diskus (SSD) arba „Non-Volatile Memory express“ (NVMe) diskus, siūlo žymiai didesnį skaitymo / rašymo greitį ir mažesnę delsą, palyginti su tradiciniais besisukančiais diskiniais kaupikliais (HDD). Tai reiškia greitesnį duomenų apdorojimą, trumpesnį simuliacijų laiką ir pagerintą bendrą HPC sistemos našumą.
• Mastelio keitimas: HPC darbo krūviai dažnai apima didžiulius duomenų rinkinius, kuriems reikalingi saugojimo sprendimai, galintys sklandžiai keisti mastelį. Blokinę saugyklą galima lengvai išplėsti pridedant daugiau saugyklos tomų ar mazgų, suteikiant lankstumą, reikalingą augantiems duomenų poreikiams tenkinti.
• Maža delsa: Daugelyje HPC programų delsos minimizavimas yra kritiškai svarbus. Blokinės saugyklos tiesioginė prieiga prie duomenų blokų pašalina papildomas išlaidas, susijusias su failų sistemos naršymu, todėl sumažėja delsa ir pagreitėja atsako laikas.
• Lankstumas ir kontrolė: Blokinė saugykla siūlo smulkią saugyklos išteklių kontrolę, leidžiančią administratoriams optimizuoti saugyklos konfigūracijas konkretiems darbo krūviams. Šis kontrolės lygis yra būtinas norint maksimaliai padidinti našumą ir efektyvumą įvairiose HPC aplinkose.
• Palaikymas virtualizacijai: Blokinė saugykla sklandžiai integruojasi su virtualizacijos technologijomis, leidžiančiomis kurti virtualias mašinas (VM) ir konteinerius, kurie gali pasiekti saugyklos išteklius taip, tarsi jie būtų vietiniai. Tai yra labai svarbu debesijos pagrindu veikiančioms HPC aplinkoms.

Blokinės saugyklos naudojimo HPC privalumai

Blokinės saugyklos pritaikymas HPC suteikia daug privalumų, įskaitant:

Pagerintas programų našumas

Suteikdama didelės spartos prieigą prie duomenų, blokinė saugykla žymiai sutrumpina laiką, reikalingą duomenims įkelti, apdoroti ir išsaugoti. Tai lemia greitesnį skaičiavimams intensyvių užduočių vykdymą ir pagerintą bendrą programų našumą. Pavyzdžiui, orų prognozavime greitesnė prieiga prie duomenų gali lemti tikslesnes ir savalaikes prognozes.

Sutrumpintas simuliacijų laikas

Mokslinėse simuliacijose, tokiose kaip skaičiuojamoji skysčių dinamika ar molekulinė dinamika, blokinė saugykla gali dramatiškai sutrumpinti laiką, reikalingą simuliacijoms užbaigti. Tai leidžia tyrėjams nagrinėti sudėtingesnius scenarijus ir paspartinti atradimų procesą. Farmacijos įmonė Europoje galėtų naudoti HPC su blokine saugykla, kad pagreitintų vaistų atradimą, daug greičiau simuliuodama molekulines sąveikas.

Patobulinta duomenų analizė

Blokinė saugykla palengvina greitesnę ir efektyvesnę duomenų analizę, leidžiančią tyrėjams išgauti vertingų įžvalgų iš didelių duomenų rinkinių. Tai ypač svarbu tokiose srityse kaip genomika, kur masinių DNR sekų analizė reikalauja didelio našumo saugojimo sprendimų. Pavyzdžiui, genomikos laboratorija Singapūre galėtų daug greičiau analizuoti DNR sekas, o tai leistų greičiau pasiekti proveržių ligų tyrimuose.

Supaprastintas saugyklos valdymas

Nors blokinė saugykla gali atrodyti sudėtinga, šiuolaikiniai sprendimai dažnai pateikiami su valdymo įrankiais, kurie supaprastina saugyklos teikimą, stebėjimą ir optimizavimą. Tai sumažina naštą IT administratoriams ir leidžia jiems sutelkti dėmesį į kitas svarbias užduotis. Daugelis blokinės saugyklos sprendimų dabar siūlo žiniatinklio sąsajas arba API, kad būtų lengviau valdyti.

Padidintas išteklių panaudojimas

Suteikdama efektyvią prieigą prie duomenų ir jų bendrinimą, blokinė saugykla maksimaliai išnaudoja HPC išteklius. Tai lemia išlaidų taupymą ir pagerintą bendrą efektyvumą. Pavyzdžiui, kelios VM ar konteineriai gali bendrinti tą patį blokinės saugyklos tomą, sumažindami saugyklos dubliavimą ir optimizuodami išteklių paskirstymą.

Blokinės saugyklos diegimo HPC iššūkiai

Nepaisant privalumų, blokinės saugyklos diegimas HPC aplinkose taip pat kelia keletą iššūkių:

Kaina

Didelio našumo blokinės saugyklos sprendimai, ypač pagrįsti SSD arba NVMe, gali būti brangūs. Pradinės investicijos ir nuolatinės priežiūros išlaidos gali būti didelis barjeras, ypač mažesnėms mokslinių tyrimų institucijoms ar organizacijoms su ribotu biudžetu. Tačiau ilgalaikė nauda, gaunama dėl pagerinto našumo ir efektyvumo, dažnai gali atsverti pradines išlaidas. Debesijos pagrindu veikiančių blokinės saugyklos galimybių tyrinėjimas gali padėti sumažinti kai kurias iš šių išlaidų.

Sudėtingumas

Blokinės saugyklos valdymas gali būti sudėtingas, reikalaujantis specializuotų žinių apie saugojimo technologijas, tinklų kūrimą ir virtualizaciją. Tinkamas planavimas ir konfigūravimas yra būtini norint užtikrinti optimalų našumą ir patikimumą. Organizacijoms gali tekti investuoti į mokymus arba samdyti kvalifikuotus darbuotojus, kad efektyviai valdytų savo blokinės saugyklos infrastruktūrą. Konsultacijos su saugojimo ekspertais planavimo etape gali padėti išvengti dažnų klaidų.

Duomenų apsauga

Duomenų apsaugos ir prieinamumo užtikrinimas yra labai svarbus HPC aplinkose. Tvirtų atsarginių kopijų kūrimo ir avarinio atkūrimo strategijų įgyvendinimas yra būtinas siekiant sumažinti duomenų praradimo riziką. Reguliarios atsarginės kopijos, replikavimas ir perjungimo mechanizmai yra būtini norint apsisaugoti nuo aparatinės įrangos gedimų, programinės įrangos klaidų ar stichinių nelaimių. Apsvarstykite galimybę naudoti geografiškai paskirstytus duomenų centrus, kad padidintumėte duomenų atsparumą.

Integracija

Blokinės saugyklos integravimas su esama HPC infrastruktūra gali būti sudėtingas. Suderinamumo su skirtingomis operacinėmis sistemomis, failų sistemomis ir tinklo protokolais užtikrinimas reikalauja kruopštaus planavimo ir testavimo. Standartizuotų sąsajų ir protokolų, tokių kaip iSCSI ar Fibre Channel, naudojimas gali padėti supaprastinti integraciją. Konteinerizavimo technologijos, tokios kaip Docker ir Kubernetes, taip pat gali palengvinti integraciją ir diegimą.

Našumo derinimas

Norint pasiekti optimalų blokinės saugyklos našumą, reikalingas kruopštus derinimas ir optimizavimas. Tai apima saugyklos parametrų, tinklo nustatymų ir programų nustatymų konfigūravimą, kad atitiktų konkrečius darbo krūvio reikalavimus. Našumo metrikų stebėjimas ir kliūčių nustatymas yra būtini nuolatiniam optimizavimui. Naudojant našumo stebėjimo įrankius ir reguliariai atliekant našumo testus galima nustatyti tobulintinas sritis.

Blokinės saugyklos tipai HPC

HPC yra prieinami keli blokinės saugyklos sprendimų tipai, kurių kiekvienas turi savo ypatybes ir kompromisus:

Tiesiogiai prijungta saugykla (DAS)

DAS apima saugojimo įrenginių prijungimą tiesiogiai prie serverio ar darbo stoties naudojant sąsajas, tokias kaip SAS ar SATA. Tai paprastas ir ekonomiškas sprendimas mažesnėms HPC aplinkoms, tačiau jam trūksta mastelio keitimo ir bendrinimo galimybių. DAS geriausiai tinka atskiroms darbo stotims ar mažiems klasteriams, kur duomenų bendrinimas nėra pagrindinis reikalavimas.

Saugyklos tinklas (SAN)

SAN yra specialus tinklas, jungiantis serverius su saugojimo įrenginiais, suteikiantis didelės spartos blokinio lygio prieigą. SAN paprastai naudoja Fibre Channel arba iSCSI protokolus ir siūlo puikų našumą bei mastelio keitimą. Tačiau SAN gali būti sudėtingas ir brangus diegti ir valdyti. SAN yra geras pasirinkimas dideliems HPC klasteriams, reikalaujantiems didelio našumo ir mastelio keitimo.

Tinklinė saugykla (NAS)

Nors NAS pirmiausia žinoma dėl failų saugojimo, kai kurios NAS sistemos taip pat gali teikti blokinę saugyklą per iSCSI. NAS siūlo pusiausvyrą tarp našumo, mastelio keitimo ir kainos. NAS tinka HPC aplinkoms, kurioms reikalingos tiek failų, tiek blokinės saugyklos galimybės. Tačiau NAS našumas gali būti ribotas, palyginti su SAN, ypač reikliems darbo krūviams.

Kietojo kūno diskai (SSD)

SSD naudoja „flash“ atmintį duomenims saugoti, siūlydami žymiai didesnį skaitymo / rašymo greitį ir mažesnę delsą, palyginti su HDD. SSD idealiai tinka programoms, reikalaujančioms didelio našumo, tokioms kaip duomenų bazių serveriai ir virtualizuotos aplinkos. SSD tampa vis populiaresni HPC dėl savo našumo privalumų. Tačiau SSD gali būti brangesni nei HDD, ypač didelėms saugyklos talpoms.

NVMe (Non-Volatile Memory express)

NVMe yra didelio našumo sąsajos protokolas, specialiai sukurtas SSD. NVMe diskai siūlo dar didesnį skaitymo / rašymo greitį ir mažesnę delsą, palyginti su tradiciniais SATA ar SAS SSD. NVMe yra pageidaujamas pasirinkimas reikliems HPC darbo krūviams, kuriems reikalingas kuo didesnis našumas. NVMe diskai paprastai jungiami per PCIe lizdus ir gali užtikrinti itin didelį pralaidumą.

Debesijos pagrindu veikianti blokinė saugykla

Debesijos paslaugų teikėjai siūlo blokinės saugyklos paslaugas, kurias galima pasiekti internetu. Debesijos pagrindu veikianti blokinė saugykla suteikia mastelio keitimą, lankstumą ir ekonomiškumą. Ji pašalina poreikį turėti vietinę saugyklos infrastruktūrą ir leidžia organizacijoms mokėti tik už naudojamą saugyklą. Debesijos pagrindu veikianti blokinė saugykla yra geras pasirinkimas organizacijoms, norinčioms sumažinti kapitalo išlaidas ir supaprastinti saugyklos valdymą. Pavyzdžiai: Amazon Elastic Block Storage (EBS), Azure Managed Disks ir Google Persistent Disk.

Veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis blokinę saugyklą HPC

Renkantis tinkamą blokinės saugyklos sprendimą HPC, reikia atidžiai apsvarstyti kelis veiksnius:

• Našumo reikalavimai: Nustatykite konkrečius savo HPC darbo krūvių našumo reikalavimus, įskaitant I/O pralaidumą, delsą ir IOPS (įvesties / išvesties operacijos per sekundę).
• Mastelio keitimo poreikiai: Įvertinkite savo ateities saugyklos poreikius ir pasirinkite sprendimą, kuris gali lengvai keisti mastelį, kad atitiktų augančius duomenų kiekius.
• Biudžeto apribojimai: Įvertinkite bendrąsias nuosavybės išlaidas (TCO) skirtingų sprendimų, įskaitant pradines investicijas, priežiūrą ir eksploatacijos išlaidas.
• Duomenų apsaugos reikalavimai: Įgyvendinkite tvirtas atsarginių kopijų kūrimo ir avarinio atkūrimo strategijas, kad apsisaugotumėte nuo duomenų praradimo ir užtikrintumėte verslo tęstinumą.
• Integracijos reikalavimai: Užtikrinkite suderinamumą su esama HPC infrastruktūra, įskaitant operacines sistemas, failų sistemas ir tinklo protokolus.
• Valdymo sudėtingumas: Pasirinkite sprendimą, kurį lengva valdyti ir prižiūrėti, su įrankiais ir funkcijomis, kurios supaprastina saugyklos teikimą, stebėjimą ir optimizavimą.
• Pardavėjo palaikymas: Pasirinkite pardavėją, turintį patikimą patirtį teikiant palaikymą ir paslaugas.

Geriausios praktikos, kaip optimizuoti blokinės saugyklos našumą HPC

Norėdami maksimaliai padidinti blokinės saugyklos našumą HPC aplinkose, apsvarstykite šias geriausias praktikas:

• Naudokite SSD arba NVMe diskus: Pasinaudokite dideliu SSD arba NVMe diskų našumu programoms, reikalaujančioms mažos delsos ir didelio I/O pralaidumo.
• Įdiekite duomenų pakopavimą: Naudokite duomenų pakopavimą, kad perkeltumėte retai naudojamus duomenis į pigesnes saugyklos pakopas, pvz., HDD ar debesijos saugyklą.
• Optimizuokite bloko dydį: Konfigūruokite bloko dydį, kad jis atitiktų jūsų darbo krūvių charakteristikas. Didesni bloko dydžiai paprastai yra geresni nuosekliajai I/O, o mažesni bloko dydžiai – atsitiktinei I/O.
• Naudokite talpyklą (caching): Įdiekite talpyklos mechanizmus, kad dažnai naudojami duomenys būtų saugomi atmintyje, sumažinant poreikį kreiptis į saugojimo sistemą.
• Stebėkite našumą: Nuolat stebėkite saugyklos našumą ir nustatykite kliūtis. Naudokite našumo stebėjimo įrankius, kad stebėtumėte pagrindines metrikas, tokias kaip I/O pralaidumas, delsa ir IOPS.
• Optimizuokite tinklo konfigūraciją: Užtikrinkite, kad tinklas, jungiantis serverius su saugojimo sistema, būtų tinkamai sukonfigūruotas ir optimizuotas dideliam našumui.
• Defragmentuokite duomenis: Reguliariai defragmentuokite duomenis, kad pagerintumėte skaitymo / rašymo našumą.
• Įdiekite RAID: Naudokite RAID (Redundant Array of Independent Disks), kad pagerintumėte duomenų dubliavimą ir prieinamumą.

Blokinės saugyklos ateitis HPC

Tikėtina, kad blokinės saugyklos ateitį HPC formuos kelios pagrindinės tendencijos:

• NVMe per audinius (NVMe-oF): NVMe-oF leidžia naudoti NVMe diskus per tinklo audinius, tokius kaip Ethernet ar Fibre Channel, suteikiant didelio našumo nuotolinę prieigą prie saugyklos.
• Skaičiavimo saugykla: Skaičiavimo saugykla integruoja apdorojimo galimybes tiesiai į saugojimo įrenginį, leidžiant atlikti duomenų apdorojimą arčiau duomenų šaltinio.
• Debesijos pritaikyta saugykla: Debesijos pritaikyti saugojimo sprendimai yra sukurti sklandžiai veikti su debesijos pagrindu veikiančiomis HPC aplinkomis, suteikiant mastelio keitimą, lankstumą ir ekonomiškumą.
• DI valdomas saugyklos valdymas: DI ir mašininis mokymasis naudojami automatizuoti saugyklos valdymo užduotis, tokias kaip teikimas, stebėjimas ir optimizavimas.
• Nuolatinė atmintis: Nuolatinės atminties technologijos, tokios kaip „Intel Optane DC Persistent Memory“, siūlo didelio našumo ir pastovumo derinį, ištrindamos ribas tarp atminties ir saugyklos.

Tarptautiniai pavyzdžiai ir aspektai

Skirtingi regionai ir šalys turi įvairius požiūrius į HPC ir blokinę saugyklą. Štai keletas pavyzdžių:

• Europa: Europos Sąjunga daug investuoja į HPC per tokias iniciatyvas kaip Europos didelio našumo kompiuterijos bendroji įmonė (EuroHPC JU). Tai skatina pažangių blokinės saugyklos sprendimų paklausą, kad būtų galima remti didelio masto mokslinių tyrimų projektus.
• Šiaurės Amerika: Jungtinės Valstijos turi ilgą lyderystės HPC istoriją. Valstybės finansuojamos tyrimų laboratorijos ir privataus sektoriaus įmonės nuolat stumia HPC technologijų, įskaitant blokinę saugyklą, ribas.
• Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas: Tokios šalys kaip Kinija, Japonija ir Pietų Korėja sparčiai plečia savo HPC pajėgumus. Šios šalys daug investuoja tiek į aparatinę, tiek į programinę įrangą, įskaitant pažangius saugojimo sprendimus. Superkompiuterių centras Japonijoje naudoja NVMe-oF, kad savo vartotojams suteiktų didelio našumo saugyklą.
• Besivystančios šalys: Besivystančios šalys taip pat pripažįsta HPC svarbą ekonominei plėtrai ir mokslo pažangai. Tačiau šios šalys dažnai susiduria su iššūkiais, susijusiais su finansavimu, infrastruktūra ir kompetencija. Debesijos pagrindu veikianti blokinė saugykla gali suteikti šioms šalims ekonomišką būdą pasiekti HPC išteklius.

Diegiant blokinę saugyklą pasauliniame kontekste, svarbu atsižvelgti į tokius veiksnius kaip duomenų suverenitetas, reguliavimo reikalavimų laikymasis ir kultūriniai skirtumai. Pavyzdžiui, kai kuriose šalyse galioja griežtos taisyklės dėl to, kur galima saugoti ir apdoroti duomenis. Taip pat svarbu užtikrinti, kad saugojimo sprendimai būtų prieinami ir patogūs naudoti žmonėms iš skirtingų sluoksnių.

Išvada

Blokinė saugykla yra esminis šiuolaikinių HPC aplinkų komponentas, suteikiantis našumą, mastelio keitimą ir lankstumą, reikalingą sudėtingiems skaičiavimo iššūkiams įveikti. Suprasdamos blokinės saugyklos privalumus, iššūkius ir geriausias praktikas, organizacijos gali optimizuoti savo HPC infrastruktūrą ir paspartinti mokslinius atradimus, inžinerines inovacijas ir duomenų analizę. Technologijoms toliau vystantis, blokinė saugykla atliks vis svarbesnį vaidmenį atskleidžiant visą HPC potencialą.

Nesvarbu, ar esate tyrėjas, IT specialistas, ar sprendimų priėmėjas, blokinės saugyklos supratimas yra labai svarbus norint išnaudoti didelio našumo kompiuterijos galią globalizuotame pasaulyje. Pritaikydami tinkamas strategijas ir technologijas, galite atverti naujas galimybes ir skatinti inovacijas savo srityje.