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Clustering-Architekturen (Teil 2)
Data General setzt mit Numa auf Standardkomponenten
COMPUTERWOCHE Nr. 5 vom 31.01.1997 Seite 27-28
WESTBORO
(wh) - Data General (DG) gilt derzeit als bekanntester Verfechter der
Clustering-Technik Non Uniform Memory Access (Numa). Im Gegensatz zum
Erzrivalen Sequent verwendet der Hersteller für die Implementierung
ausschließlich Standardkomponenten und verkauft Systeme auch an OEMs.
Für Numa vorbereitete Rechner möchte DG vom Einstiegs-Level bis zum
Top-end anbieten.
Historisch gesehen haben die
Computerbauer aus Westboro, Massachusetts, in Sachen kommerzielle
Numa-Systeme die Nase vorn. Seit Herbst 1995 vermarktet Data General
mit der "Aviion 10000" einen Server auf Basis von Motorolas "88K"-Prozessoren,
der nach dem Numa-Verfahren arbeitet. Wie beim Vorgängermodell "AV
9500" setzten die Entwickler vier CPUs und Cache auf ein Board. Hinzu
kamen Arbeitsspeicher und ein PCI-I/O-System auf jeder Platine.
Insgesamt acht Boards oder maximal 32 Prozessoren ließen sich in einem
Rechner unterbringen. Bei den AV-10000-Rechnern handelte es sich um
Numa-Systeme, denn es gab einen nahen und einen entfernten
Arbeitsspeicher sowie eine einzige Kopie des Betriebssystems - das
herstellereigene Unix-Derivat DG-UX - für den ganzen Verbund. Für die
Verbindung zwischen den Boards verwendete DG ein großes
Backplane-System mit vier 250-MB/s-Systembussen. Mit dem Umstieg auf
Intel-Technik tauschte DG das eigenentwickelte RISC-Modell gegen die
"SHV-Type-II"-Board-Technik des Chipgiganten ein. Nach den Worten von
Steven Aucoin, Director Product Marketing der neugegründeten Numaliine
Business Unit, die für Entwicklung und Vermarktung der Numa-Systeme
verantwortlich zeichnet, ergaben sich daraus wesentlich niedrigere
Kosten. Statt des breitbandigen Backplane-Systems der AV 10000 benutzt
DG mit dem SCI-Bus (SCI = Scalable Coherent Interface) eine Verbindung,
die den Standards der Normierungsgremien ANSI und IEEE entspricht.
"Wir erhielten damit auch eine kostengünstigere Verbindungstechnik",
begründet Aucoin den Umstieg. Auf dem Intel-Board sitzen vier
Pentium-Pro-CPUs mit jeweils 512 KB Cache und 4 GB Arbeitsspeicher.
Für den Zugriff auf das Massenspeichersubsystem stehen zwölf
PCI-I/O-Slots in Form von zwei Orion-PCI-Brücken zur Verfügung. Die
Verbindung zu den Arbeitsspeichern anderer Quadboards stellt ein
SCI-Adapter her, der ebenfalls auf dem Mainboard steckt. Das
SCI-Subsystem besteht aus zwei SCI-Ringen, die jeweils eine
Datenübertragungsrate von 500 MB/s schaffen (zur Funktion des
SCI-Subsystems siehe Kasten). Data Generals wichtigster Konkurrent
Sequent verwendet in seiner "Numa-Q"-Architektur ein verändertes
Board-Design, das auf 18 Layern basiert statt auf 13 wie beim
Intel-Standardprodukt. Darüber hinaus sind die Platinen mit doppelter
Kühlung, einem Monitoring-Chip und einer kürzeren Busverbindung
zwischen den Prozessoren ausgestattet (siehe CW Nr. 47 vom 22.
November 1996, Seite 39: "Zwei Ringe sollen . . ."). Das Kernstück der
Sequent-Implementierung bildet die sogenannte "IQ-Link"-Karte, die auf
jedem Quadboard sitzt und die Verbindung zum SCI-Subsystem herstellt.
Sequent entwickelte die Karte zusammen mit dem französischen Hersteller
Vitesse. Als "Datenpumpe" dient ein Gallium-Arsenid-Chip, der die
Datenpakete empfängt und verschickt. Ein weiterer Unterschied zum
DG-Modell liegt im Systembus selbst. Sequent arbeitet mit einem
unidirektionalen SCI-Ring mit 1 GB/s Datentransferrate. DG erreicht
mit zwei bidirektionalen Ringen ebenfalls einen aggregierten Durchsatz
von 1 GB/s, verspricht mit seinem Konzept allerdings einige Vorteile.
So könne etwa bei Ausfall eines Rings der zweite dessen Aufgaben
übernehmen. Bei Sequents Numa-Q-Architektur sei dies nicht möglich.
Obwohl Sequent bereits im Herbst 1996 einen Intel-basierten Server mit
der Numa-Q-Technik zeigte, gibt man sich bei Data General gelassen, was
die Marktchancen der eigenen Numa-Implementierung betrifft. "Nach
meiner Meinung verfolgt Sequent einen eher proprietären Ansatz, mit
eigenen Boards und eigenem Betriebssystem", erklärt Aucoin. "Wir
verwenden Gate-Arrays, die mit Dolphins Interconnect-Technik
zusammenarbeiten, Sequent arbeitet mit teuren
Gallium-Arsenid-Gate-Arrays von Vitesse." Der Hersteller verkaufe die
Rechner auch nicht an OEMs, sondern ausschließlich direkt und ziele
eindeutig auf das High-end. Damit bleibe für DG genug Raum, in den
darunter liegenden Marktsegmenten erfolgreich zu sein. Thomas Reiter,
Produkt-Marketing-Manager bei der deutschen Sequent-Niederlassung in
München, bestätigt die Ausrichtung auf das High-end. Er wehrt sich
allerdings gegen den Vorwurf, ein proprietäres System anzubieten. "Wir
mußten feststellen, daß die Skalierbarkeit der Standard-Boards, wie sie
von Dolphin vertrieben werden, nicht unseren Anforderungen
entsprach." Deshalb habe man auf die Vitesse-Datenpumpe
zurückgegriffen, die die vierfache Leistung der Dolphin-Adapterkarte
biete. Das übrige System entspreche aber dem Standard-SCI-Protokoll.
Für Rick Westerman, Analyst bei der Meta Group in München, handelt es
sich bei Numa-Q tatsächlich um eine proprietäre Technik. Die
Darstellung Data Generals sei aber zu negativ: Sequent sei mit der
Performance der Dolphin-SCI-Technik nicht zufrieden gewesen und habe
das Modell verändert. Das System sei zwar nicht mehr vollständig
kompatibel zum IEEE-Standard, biete jedoch mehr Leistung. DG benutze
eine reine IEEE-Lösung. Die Frage nach einem proprietären oder offenen
System spiele aber kaum eine Rolle, glaubt Westerman. Die
Interconnect-Lösung mit Gallium-Arsenid-Technik sei auf den ersten
Blick zwar etwas teurer. Die Unternehmen wechselten aber auf Numa,
weil sie ein High-end-System wollten. Betrachte man die gesamten
Anschaffungskosten eines solchen Systems inklusive Hardware, Software
und Speicher, so verursache die Gallium-Arsenid-Lösung etwa ein Prozent
mehr Kosten. Dies könne für eine Investitionsentscheidung nicht
ausschlaggebend sein. Sequent gibt für seine Architektur theoretische
Grenzen an. Demzufolge lassen sich maximal 252 Prozessoren auf 63
Quadboards koppeln. Bei DG zeigt man sich diesbezüglich
zurückhaltender. Das Betriebssystem unterstütze heute bis zu 64 CPUs
auf 16 Boards im laufenden Betrieb. Generell seien aber auch
Konfigurationen mit mehr als 100 Prozessoren denkbar. Erste
Numaliine-Rechner werden voraussichtlich im Frühjahr 1997 verfügbar
sein. Auf der Softwareseite fährt Data General zweigleisig. Das
Unix-Derivat DG-UX sei bereits für Numa optimiert worden, so Aucoin.
Man arbeite darüber hinaus mit SCO zusammen, um die Unterstützung von
SCO Unixware für Numa sicherzustellen. Dies sei vor allem für den
OEM-Markt von Bedeutung. So hätten sich etwa DGs OEM-Kunden ICL und
Unisys auf SCO als Unix-Plattform verpflichtet. Für die eigene
Aviion-Produktlinie sei derzeit aber noch DG-UX erste Wahl, das
beispielsweise eine Reihe von Hochverfügbarkeitsfunktionen biete, die
Unixware noch nicht liefern könne. Auf längere Sicht werde Unixware
auch für die Aviion-Rechner an Bedeutung gewinnen. Mit Windows NT hegt
Data General in Zusammenhang mit Numa offenbar keine großen Pläne. "NT
läuft im Labor auf unseren Numaliine-Systemen", berichtet Aucoin. Das
große Problem sei allerdings die Skalierbarkeit. Für viele Anwendungen
lasse sich das Microsoft-System sehr schlecht skalieren. Auch wenn
sich die Skalierbarkeit von NT in SMP-Umgebungen (SMP = Symmetrisches
Multiprocessing) künftig etwas verbessern sollte, werde Unix das
dominierende Betriebssystem bleiben. Entgegen früheren Ankündigungen
und einschlägigen Berichten in der Fachpresse müssen neben dem
Betriebssystem auch Datenbanken für Numa modifiziert werden. Diese
Anwendungen laufen zwar in einer Numa-Umgebung, nutzen die Vorteile der
Architektur aber nicht voll aus. "Die großen
Datenbank-Management-Systeme erledigen eine Reihe von Aufgaben, die
normalerweise das Betriebssystem ausführt", erklärt Aucoin. Oracle
verwalte mit seinem Programm beispielsweise auch Dateisysteme. DG
arbeite deshalb mit den großen Herstellern wie Oracle, Sybase oder
Informix zusammen, um die Numa-Unterstützung zu gewährleisten. Dies
bedeute aber nicht, daß Anwender für eine Datenbank ein spezielles
Modul oder eine neue Version benötigten. Die Numa-Unterstützung werde
immer in das Standardprodukt integriert sein. RISC-Unix-Anbieter sind
die Verlierer Trotz der teilweise noch ausstehenden
Software-Unterstützung sagt Westerman dem Numa-Konzept eine große
Zukunft voraus. "Die Welt wird sich in zwei Richtungen aufteilen",
prognostiziert der Meta-Group-Analyst. Einerseits werde ein Großteil
der Anwender nach wie vor RISC-Maschinen unter Unix einsetzen.
Andererseits nehme die Zahl derer, die Numa- oder Numa-ähnliche Systeme
betrieben, stetig zu. Traditionelle RISC-Unix-Anbieter wie Sun, HP
oder DEC würden gegenüber Herstellern mit Intel-basierten
Unix-Maschinen Marktanteile verlieren. Für den Wettbewerbsvorteil eines
Herstellers sei weniger die Preisgestaltung entscheidend als der Faktor
Time-to-Market, meint Westerman. Sequents Numa-System sei schon
verfügbar, DGs Produkte nicht. "Wer heute ein Numa-System einsetzen
will, kann dies praktisch nur von Sequent bekommen." Allerdings
bedeute dies nicht unbedingt Nachteile für Data General. Westerman:
"Der Numa-Markt ist groß genug für mindestens drei Anbieter."
SCI-Adapter regelt den Datenverkehr Der SCI-Adapter spielt bei DGs
Numa-Implementierung die Schlüsselrolle. Fordert ein Prozessor Daten
an, die sich weder im Level-2-Cache noch im Arbeitsspeicher des eigenen
Boards befinden, aktiviert der Adapter das SCI-Subsystem. Der Adapter
schickt eine Datenanforderung in Form eines Pakets über den SCI-Bus an
einen entfernten Rechnerknoten (= SHV-Board). Dieser sendet die
Informationen an den anfragenden Knoten. Über den SCI-Adapter gelangen
die Daten in den jeweiligen Prozessor auf dem Intel-Quadboard. Der
Adapter vergleicht dabei stets die Speicherinhalte auf dem lokalen
Board mit den Daten anderer Rechnerknoten und stellt so sicher, daß
alle Kopien einer Cache-Information auf dem gleichen Stand sind
(Cache-Kohärenz). Auf diese Vorgehensweise ist der Begriff cc:Numa
(Cache Coherent Non Uniform Memory Access) zurückzuführen. Da ein
Numa-System ohne Cache-Kohärenz wenig Sinn macht, wird auf den Zusatz
"cc" häufig verzichtet. Ziel des Numa-Konzepts ist es, Daten, die eine
CPU gerade zur Verarbeitung benötigt, möglichst im lokalen (nahen)
Cache vorzuhalten, statt von einem entfernten Knoten Informationen über
den langsameren Systembus zu transportieren. Die Zauberwörter dabei
heißen Speicher-, Prozessor und I/O-Affinität und beziehen sich auf
einen typischen Vorgang in einer Multiprocessing-Umgebung: Wird ein
laufendes Programm durch einen Interrupt von einer höher gelegenen
Anwendung gestoppt, verlagert das Betriebssystem dieses Programm
normalerweise auf einen anderen Prozessor. Damit wird vermieden, daß
der Job auf die Beendigung des als vorrangig eingestuften Programms
warten muß. In der Numa-Architektur versucht das Betriebssystem, eine
Verarbeitungsaufgabe so oft wie möglich auf dieselbe CPU zu
relokalisieren. Gelingt dies nicht, zielt das OS darauf ab, den Job
zumindest auf dem gleichen Board zu plazieren. Nur wenn auch das
wiederholt fehlschlägt, wird die Aufgabe auf einen anderen
Rechnerknoten verlagert. Die Entwickler wollen auf diese Weise
erreichen, daß in weniger als fünf Prozent der Fälle auf eine entfernte
Arbeitsspeicherreferenz über den SCI-Bus zugegriffen werden muß. Das
Numa-System laufe zu 95 Prozent der Zeit mit der höheren internen
Busgeschwindigkeit auf dem SHV-Board, proklamiert etwa Data General.
Das Betriebssystem muß dazu fein abgestufte
Locking-Scheduling-Algorithmen bereitstellen, die herkömmliche
SMP-Betriebssysteme nicht bieten. |
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