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現(xiàn)在 Linux 集群在很多領(lǐng)域都已經(jīng)變得非常流行了。隨著集群技術(shù)的出現(xiàn)以及開(kāi)放源碼軟件日益得到采納，現(xiàn)在只需要傳統(tǒng)高性能機(jī)器的很少一部分成本就可以構(gòu)建一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)了。

這兩篇系列文章簡(jiǎn)要介紹采用 Linux 集群技術(shù)的高性能計(jì)算（HPC）的概念，展示如何構(gòu)建集群并編寫并行程序。本文是兩篇系列文章中的第一篇，討論了集群的類型、用途、HPC 基礎(chǔ)、Linux 在 HPC 中的角色以及集群技術(shù)日益增長(zhǎng)的原因。第 2 部分將介紹并行算法的知識(shí)，并介紹如何編寫并行程序、如何構(gòu)建集群以及如何進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

HPC 體系架構(gòu)的類型

大部分 HPC 系統(tǒng)都使用了并行 的概念。有很多軟件平臺(tái)都是面向 HPC 的，但是首先讓我們先來(lái)了解一下硬件的知識(shí)。

HPC 硬件可以分為 3 類：

對(duì)稱多處理器（SMP）
向量處理器
集群
對(duì)稱多處理器（SMP）

SMP 是 HPC 采用的體系架構(gòu)之一，其中有多個(gè)處理器會(huì)共享內(nèi)存。（在集群中，這也稱為 大規(guī)模并行處理器（massively parallel processor，MPP），它們并不需要共享內(nèi)存；稍后我們將更詳細(xì)介紹這方面的內(nèi)容。）與 MPP 相比，SMP 通常成本更高，而且可伸縮性較差。

向量處理器

顧名思義，在向量處理器中，CPU 被優(yōu)化以便很好地處理向量數(shù)組的運(yùn)算。向量處理器系統(tǒng)的性能很高，在 20 世紀(jì) 80 年代到 90 年代早期一度在 HPC 體系架構(gòu)中占有統(tǒng)治地位，但是最近幾年以來(lái)，集群變得更加流行了。

集群

集群是最近幾年中最為主要的一種 HPC 硬件：集群（cluster） 就是一組 MPP 的集合。集群中的處理器通常被稱為 節(jié)點(diǎn)，它具有自己的 CPU、內(nèi)存、操作系統(tǒng)、I/O 子系統(tǒng)，并且可以與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。目前有很多地方都使用常見(jiàn)的工作站運(yùn)行 Linux 和其他開(kāi)放源碼軟件來(lái)充當(dāng)集群中的節(jié)點(diǎn)。

接下來(lái)您將看到這些 HPC 硬件之間的區(qū)別，但是首先讓我們從集群開(kāi)始。

集群定義

術(shù)語(yǔ)“集群（cluster）”在不同的地方可能會(huì)意味著不同的意義。本文重點(diǎn)介紹以下三種類型的集群：

故障遷移集群
負(fù)載均衡集群
高性能集群
故障遷移集群

最簡(jiǎn)單的故障遷移集群有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)是活動(dòng)的，另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)是備用的，不過(guò)它會(huì)一直對(duì)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視。一旦活動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，備用節(jié)點(diǎn)就會(huì)接管它的工作，這樣就能使得關(guān)鍵的系統(tǒng)能夠持續(xù)工作。

負(fù)載均衡集群

負(fù)載均衡集群通常會(huì)在非常繁忙的 Web 站點(diǎn)上采用，它們有多個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)承擔(dān)相同站點(diǎn)的工作，每個(gè)獲取 Web 頁(yè)面的新請(qǐng)求都被動(dòng)態(tài)路由到一個(gè)負(fù)載較低的節(jié)點(diǎn)上。

高性能集群

高性能集群用來(lái)運(yùn)行那些對(duì)時(shí)間敏感的并行程序，它們對(duì)于科學(xué)社區(qū)來(lái)說(shuō)具有特殊的意義。高性能集群通常會(huì)運(yùn)行一些模擬程序和其他對(duì) CPU 非常敏感的程序，這些程序在普通的硬件上運(yùn)行需要花費(fèi)大量的時(shí)間。

計(jì)算 是一個(gè)更為廣泛的術(shù)語(yǔ)，通常用來(lái)代表利用松耦合系統(tǒng)之間的協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）�；�于集群的 HPC 是網(wǎng)格計(jì)算的一個(gè)特例，其中節(jié)點(diǎn)之間都是緊耦合的。網(wǎng)格計(jì)算的一個(gè)成功的、眾所周知的項(xiàng)目是 SETI@home，即搜索外星智慧的項(xiàng)目，它使用了大約一百萬(wàn)臺(tái)家用 PC 在屏保時(shí)的空閑 CPU 周期來(lái)分析無(wú)線電天文望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)類似的成功項(xiàng)目是 Folding@Home 項(xiàng)目，用來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)的折疊計(jì)算。

高性能集群的常見(jiàn)用途

幾乎所有的產(chǎn)業(yè)界都需要快速的處理能力。隨著越來(lái)越便宜而且快速的計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，更多公司表現(xiàn)出了對(duì)利用這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)的興趣。人們對(duì)于計(jì)算處理能力的需求是沒(méi)有上限的；盡管處理能力在迅速提高，但是人們的需求仍然超出計(jì)算能力所能提供的范圍。

生命科學(xué)研究

蛋白質(zhì)分子是非常復(fù)雜的鏈，實(shí)際上可以表示為無(wú)數(shù)個(gè) 3D 圖形。實(shí)際上，在將蛋白質(zhì)放到某種溶液中時(shí)，它們會(huì)快速“折疊”成自己的自然狀態(tài)。不正確的折疊會(huì)導(dǎo)致很多疾病，例如 Alzheimer 病；因此，對(duì)于蛋白質(zhì)折疊的研究非常重要。

科學(xué)家試圖理解蛋白質(zhì)折疊的一種方式是通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。實(shí)際上，蛋白質(zhì)的折疊進(jìn)行得非常迅速（可能只需要 1 微秒），不過(guò)這個(gè)過(guò)程卻非常復(fù)雜，這個(gè)模擬在普通的計(jì)算機(jī)上可能需要運(yùn)行 10 年。這個(gè)領(lǐng)域只不過(guò)是諸多業(yè)界領(lǐng)域中很小的一個(gè)，但是它卻需要非常強(qiáng)大的計(jì)算能力。

業(yè)界中其他領(lǐng)域包括制藥建模、虛擬外科手術(shù)訓(xùn)練、環(huán)境和診斷虛擬化、完整的醫(yī)療記錄數(shù)據(jù)庫(kù)以及人類基因項(xiàng)目。

石油和天然氣勘探

震動(dòng)圖中包含有大陸和洋底內(nèi)部特性的詳細(xì)信息，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以幫助我們探測(cè)石油和其他資源。即便對(duì)于一個(gè)很小的區(qū)域來(lái)說(shuō)，也有數(shù)以 TB 計(jì)的數(shù)據(jù)需要重構(gòu)；這種分析顯然需要大量的計(jì)算能力。這個(gè)領(lǐng)域?qū)τ谟?jì)算能力的需求是如此旺盛，以至于超級(jí)計(jì)算機(jī)大部分都是在處理這種工作。

其他地理學(xué)方面的研究也需要類似的計(jì)算能力，例如用來(lái)預(yù)測(cè)地震的系統(tǒng)，用于安全性工作的多譜段衛(wèi)星成像系統(tǒng)。

圖像呈現(xiàn)

在工程領(lǐng)域（例如航天引擎設(shè)計(jì)）操縱高分辨率的交互式圖像在性能和可伸縮性方面歷來(lái)都是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@要涉及大量的數(shù)據(jù)。基于集群的技術(shù)在這些領(lǐng)域已經(jīng)取得了成功，它們將渲染屏幕的任務(wù)分割到集群中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都利用自己的圖形硬件來(lái)呈現(xiàn)自己這部分屏幕的圖像，并將這些像素信息傳送到一個(gè)主節(jié)點(diǎn)上，主節(jié)點(diǎn)對(duì)這些信息進(jìn)行組合，最終形成一個(gè)完整的圖像。

這個(gè)領(lǐng)域中的例子目前才不過(guò)是冰山一角；更多的應(yīng)用程序，包括天體物理模擬、氣象模擬、工程設(shè)計(jì)、金融建模、證券模擬以及電影特技，都需要豐富的計(jì)算資源。對(duì)于計(jì)算能力越來(lái)越多的需求我們就不再進(jìn)行介紹了。

Linux 和集群如何改變了 HPC

在基于集群的計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)之前，典型的超級(jí)計(jì)算機(jī)都是向量處理器，由于它們?nèi)�部采用專用的硬件和軟件，因此成本通常�?huì)超過(guò)一百萬(wàn)美元。

隨著 Linux 和其他免費(fèi)的集群開(kāi)放源碼軟件組件的出現(xiàn)和常用硬件處理能力的提高，這種情況現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。您可以利用少量的成本來(lái)構(gòu)建功能強(qiáng)大的集群，并能夠根據(jù)需要來(lái)添加其他節(jié)點(diǎn)。