Cluster Computing - Thế nào là điện toán cụm? - Blog

Giới thiệu

Các hệ thống lớn bao gồm một cụm của các node máy tính không còn xa lạ đối với trung tâm dữ liệu ngày nay. Và gần đây, với những tiến bộ trong điện toán đa mục đích được tăng tốc bằng GPU, nhiều tải xử lý khác nhau có thể được chạy trên một máy trạm độc lập.

Tuy nhiên, với các dự án điện toán quy mô lớn, đòi hỏi nhiều hơn so với mức trung bình, một cụm điện toán cho phép nhiều máy chủ cùng xử lý đồng thời như một hệ thống hợp nhất, phân bổ tải xử lý, tăng hiệu quả xử lý và giúp các dự án phức tạp với quy mô lớn trở nên khả thi.

Điện toán cụm không chỉ đơn thuần là về việc tập hợp các tài nguyên máy tính; mà là về việc chuyển đổi các hệ thống độc lập và rời rạc thành một đơn vị được gắn kết chặt chẽ, có khả năng giải quyết các tác vụ đòi hỏi khắt khe nhất. Chúng ta sẽ đi sâu vào điện toán cụm là gì, khám phá các lợi thế của nó và nêu bật các máy chủ thiết yếu để xây dựng một hệ thống cụm hiệu quả.

Giải pháp hạ tầng Deep Learning, Trí tuệ Nhân tạo - AI

Điện toán cụm là gì?

Điện toán cụm liên quan đến nhiều node máy chủ được kết nối với nhau, hoạt động như một hệ thống thống nhất. Mỗi node trong cụm hoạt động độc lập nhưng “hợp tác với nhau” để thực thi tác vụ lớn hơn, tương tự như việc có nhiều công nhân trong một dự án xây dựng.

Về bản chất, điện toán cụm liên quan đến việc kết nối các node này thông qua kết nối mạng tốc độ cao, cho phép chúng giao tiếp và phối hợp các tác vụ. Hệ thống được thiết kế sao cho tải xử lý có thể được phân bổ lại giữa các node còn lại ngay cả khi một node bị lỗi, đảm bảo hoạt động liên tục và độ tin cậy cao giống như khi một công nhân báo nghỉ, những công nhân khác có thể tiếp quản công việc.

Các kiểu cụm điện toán

Xu hướng hiện tại đang nổi lên đó là các cụm máy tính hiệu suất cao (HPC), mà Nhất Tiến Chung đang tập trung đẩy mạnh, để giải quyết các tải xử lý phức tạp như đào tạo AI mật độ cao, hay cung cấp sức mạnh cho các tác vụ xử lý chuyên sâu, thì các cụm khác lại phục vụ các chức năng đa mục đích khác cho doanh nghiệp.

Cụm hiệu suất cao – HPC Cluster: Các cụm này được tối ưu hóa cho các tác vụ xử lý chuyên sâu như mô phỏng, xử lý toán học và nghiên cứu khoa học. Các cụm HPC được thiết kế để cung cấp sức mạnh xử lý tối đa bằng cách tận dụng kiến trúc xử lý song song, trong đó nhiều node thực thi trên các phần khác nhau của một bài toán cùng lúc.
Cụm có tính khả dụng cao – HA Cluster: Trong môi trường mà thời gian hoạt động (uptime) là quan trọng, cụm HA được sử dụng để giảm thiểu thời gian chết (downtime) và đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Các cụm này được cấu hình với cơ chế chuyển đổi dự phòng, trong đó nếu một node ngừng hoạt động, node khác sẽ tiếp quản liền mạch, duy trì tính khả dụng của các ứng dụng và dịch vụ.
Cụm cân bằng tải – Load Balancing Cluster: Các cụm này được thiết kế để phân phối tải xử lý đồng đều trên tất cả các node, tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và ngăn chặn bất kỳ node nào trở thành node thắt cổ chai. Load balancing cluster thường được sử dụng cho web hosting, nơi các request đến được phân bổ trên nhiều máy chủ để xử lý khối lượng lớn lưu lượng truy cập một cách hiệu quả.

Triển khai, xây dựng một cụm máy tính

Giống như một nhà kho cần có người quản lý, cộng sự và tài sản để có năng suất, một cụm cần có 3 loại máy chủ thiết yếu: Head Node, Compute Node và Storage Node. Vì thế, hệ thống cụm cần một hạ tầng mạng nhanh và mạnh mẽ để các thành phần giao tiếp với nhau.

Mỗi loại máy chủ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cụm hoạt động hiệu quả, với các máy chủ khác nhau chuyên quản lý tác vụ, thực hiện tính toán và xử lý lưu trữ dữ liệu. Dưới đây là mô tả chi tiết về các máy chủ và thành phần thiết yếu cần có để xây dựng một cụm hiệu suất cao:

Máy chủ Head Node

Head node, còn được gọi là master node, là đơn vị điều khiển trung tâm của cụm và trình quản lý. Nó chịu trách nhiệm điều phối tất cả các hoạt động trong cụm, bao gồm lập lịch tác vụ, quản lý tài nguyên và phân phối công việc trên các compute node.

Nếu không có công cụ quản lý cụm, node chính chỉ là một máy chủ thông thường để kết nối và giám sát các node ngang hàng.

Trách nhiệm chính: Lên lịch tác vụ, phân bổ tài nguyên, trực quan hóa dữ liệu và theo dõi tình trạng cụm.
Cấu hình được đề xuất: CPU cấp máy chủ tốc độ xung nhịp cao, RAM 8-16GB cho mỗi nhân và kết nối mạng để đáp ứng tải xử lý nặng nề khi quản lý toàn bộ cụm. GPU không phải là thứ cần thiết cho các head node, hãy tiết kiệm ngân sách đó cho compute node. Đối với tải xử lý liên quan đến mô phỏng/visuallization, RTX 4000 Ada sẽ là quá đủ.

Quản lý cụm – Cluster Management

Việc quản lý cụm hiệu quả là rất quan trọng để đảm bảo rằng các tác vụ được phân phối hiệu quả trên tất cả các node. Các công cụ như Slurm và OpenHPC giúp chuẩn hóa việc lập lịch tác vụ, phân bổ tài nguyên và giám sát hệ thống, giúp quản lý các cụm hiệu suất cao dễ dàng hơn. Các công cụ này tự động hóa nhiều quy trình, đảm bảo rằng tải xử lý được cân bằng và các node được sử dụng đầy đủ.

Ngoài ra, các công cụ như Docker và Warewulf đơn giản hóa việc chứa và cung cấp node. Docker cho phép các ứng dụng chạy trong môi trường biệt lập, đảm bảo tính nhất quán giữa các node, trong khi Warewulf cung cấp khả năng quản lý cụm ở mức nhẹ, có thể mở rộng để triển khai các cụm lớn. Cùng với nhau, các công cụ này giúp tối đa hóa hiệu suất và hiệu quả của các hệ thống điện toán cụm hiện đại.

Các node tính toán – Compute Node

Các node tính toán là những “con ngựa thồ” của cụm, thực hiện phần lớn các tác vụ xử lý. Các máy chủ này là nơi diễn ra các phép tính thực tế, cho dù là chạy các mô phỏng phức tạp, xử lý dữ liệu hay đào tạo các mô hình học máy. Hiệu suất của cụm của bạn phần lớn phụ thuộc vào số lượng và khả năng của các node tính toán.

Trách nhiệm chính: Thực hiện các tác vụ tính toán, xử lý song song và thực thi tải xử lý lớn.
Cấu hình được đề xuất: Không có máy chủ compute nào phù hợp với tất cả. Mỗi tải xử lý đều khác nhau và phụ thuộc vào ứng dụng của bạn. Nhưng có một điều chắc chắn là rất nhiều tải xử lý bao gồm AI, nghiên cứu khoa học, mô phỏng kỹ thuật và các tải xử lý khác đều tận dụng GPU để tính toán mục đích chung.
› Tại NTC, chúng tôi sẽ giúp lựa chọn cấu hình cho toàn bộ cụm, hỗ trợ đánh giá dòng CPU, GPU và bộ nhớ phù hợp cho máy chủ compute của bạn.

Các node lưu trữ – Storage Node

Các node lưu trữ cung cấp trục xương sống dữ liệu cho toàn bộ cụm, đảm bảo rằng khối lượng lớn dữ liệu có thể được truy cập, lưu trữ và quản lý hiệu quả. Chúng xử lý các hoạt động vào/ra (I/O) mà các node tính toán yêu cầu và lưu trữ lại kết quả tính toán. Trong nhiều trường hợp, các node lưu trữ cũng triển khai cơ chế dự phòng và bảo vệ dữ liệu để đảm bảo tính toàn vẹn và tính khả dụng của dữ liệu.

Trách nhiệm chính: Quản lý lưu trữ dữ liệu, đảm bảo truy cập dữ liệu nhanh chóng và duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu.
Cấu hình được đề xuất: Máy chủ lưu trữ dung lượng cao với khả năng I/O nhanh, chẳng hạn như ổ NVMe hoặc SSD và được cấu hình với RAID để dự phòng. Tùy thuộc vào nhu cầu của cụm, các node lưu trữ có thể được tối ưu hóa để lưu trữ dữ liệu thông lượng cao hoặc quy mô lớn.

Những cân nhắc về kết nối mạng

Mặc dù không phải là một loại máy chủ, nhưng hạ tầng mạng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối tất cả các node trong một cụm. Phần cứng mạng tốc độ cao, độ trễ thấp, chẳng hạn như InfiniBand hoặc Ethernet hiệu suất cao, rất cần thiết để đảm bảo dữ liệu và tác vụ được truyền nhanh giữa các node, giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn và tối đa hóa hiệu suất của cụm.

Bằng cách lựa chọn và cấu hình cẩn thận các máy chủ thiết yếu này, bạn có thể xây dựng một môi trường điện toán cụm mạnh mẽ, có khả năng mở rộng và có khả năng đáp ứng tải xử lý đòi hỏi khắt khe nhất. Mỗi loại máy chủ đóng một vai trò riêng trong kiến trúc tổng thể của cụm, cùng nhau hoạt động để cung cấp sức mạnh tính toán cần thiết cho các ứng dụng hiện đại. Với việc là đối tác phân phối của nhiều nhà cung cấp phần cứng cấp doanh nghiệp như Supermicro, ASUS, AIC,… chúng tôi giúp bạn dễ dàng cấu hình hệ thống cụm quy mô đầy đủ, từ A đến Z.

Ưu điểm của hệ thống điện toán cụm

Điện toán cụm mang lại một loạt các lợi thế giúp nó trở thành giải pháp hấp dẫn cho các tổ chức muốn tăng cường khả năng tính toán của mình mà không cần dựa vào một hệ thống đơn nguyên khối. Bằng cách kết hợp nhiều máy chủ để làm việc cùng nhau như một hệ thống thống nhất, điện toán cụm mang lại hiệu suất, khả năng mở rộng và độ tin cậy được cải thiện đáng kể. Sau đây là một số lợi thế chính:

Khả năng mở rộng – Scalability: Dễ dàng thêm các node để tăng sức mạnh tính toán mà không cần thay thế các hệ thống hiện có, cho phép tăng trưởng linh hoạt khi nhu cầu tăng.
Hiệu quả về chi phí – Cost-Effectiveness: Điện toán cụm sử dụng phần cứng có mức giá hợp lý, có sẵn, mang lại hiệu suất của các hệ thống cao cấp với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ.
Độ tin cậy và khả năng dự phòng – Reliability and Redundancy: Nếu một node bị lỗi, các tác vụ sẽ tự động được phân bổ lại, đảm bảo hoạt động liên tục và giảm thiểu thời gian chết.
Xử lý song song – Parallel Processing: Các cụm chia các tác vụ lớn thành các tác vụ nhỏ hơn, cho phép nhiều node xử lý chúng đồng thời, giúp tăng tốc kết quả.
Chia sẻ tài nguyên – Resource Sharing: Các tài nguyên như CPU, bộ nhớ và lưu trữ được chia sẻ động giữa các node, đảm bảo sử dụng phần cứng hiệu quả.

Những lợi thế này khiến điện toán cụm trở thành một phương pháp hiệu quả cao và có khả năng thích ứng để xử lý các tác vụ xử lý chuyên sâu. Bằng cách cung cấp giải pháp có khả năng mở rộng, đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí, các cụm đang chuyển đổi cách các tổ chức tiếp cận điện toán hiệu suất cao, xử lý dữ liệu và đào tạo AI.

____
Bài viết liên quan