211service.com
Netbook-chips creëren een energiezuinige cloud
Met behulp van een cluster van dezelfde processors die normaal in netbooks en vergelijkbare mobiele apparaten voorkomen, hebben onderzoekers een krachtige serverarchitectuur gecreëerd die minder stroom verbruikt dan een gloeilamp.
Klein wonder: Elk knooppunt in de snelle reeks wimpy-knooppunten (FAWN) heeft een enkele AMD Geode-processor van 500 megahertz, 256 megabyte RAM en een enkele compact flash-kaart van vier gigabyte. Het grootste FAWN-cluster dat tot nu toe is gebouwd, bestaat uit 21 knooppunten.
De architectuur, een snelle reeks slappe nodes of FAWN genoemd, biedt een manier om de hoeveelheid stroom die wordt gebruikt door de rekeninfrastructuur van internetgiganten als Google, Microsoft, Amazon, eBay, Facebook en anderen met een orde van grootte te verminderen. Als de voorspellingen van de uitvinders uitkomen, kan dit een aanzienlijke impact hebben op zowel de bedrijfsresultaten als de milieu-impact van cloud computing.
Stroom vertegenwoordigt nu tot 50 procent van de kosten van datacenters, en in de Verenigde Staten nemen de kosten per kilowattuur toe. Zelfs relatieve nieuwkomers zoals Facebook gebruiken tot $ 1 miljoen per maand aan elektriciteit, en de Environmental Protection Agency (EPA) voorspelt dat datacenters in de Verenigde Staten tegen 2011 tot 100 miljard kilowattuur elektriciteit zouden kunnen gebruiken, voor een totaal jaarlijks kosten van $ 7,4 miljard, met een geschatte emissie-impact van 59 miljoen ton CO².
FAWN, dat wordt beschreven in een nog niet gepubliceerd artikel van David Andersen en zijn team aan de Carnegie Mellon University pakken dit probleem aan met een combinatie van relatief trage processors (het soort dat wordt gebruikt in netbooks en andere mobiele apparaten) en flashgeheugen (het soort dat gegevens opslaat in digitale camera's en USB-drives). Het enigszins contra-intuïtieve resultaat is een architectuur waarvan de prestaties per watt energie honderd keer beter zijn dan die van traditionele servers, die snellere (maar veel meer energieverslindende) processors en schijfgebaseerde opslag gebruiken.
De uitzonderlijke prestaties van FAWN zijn beperkt tot bepaalde soorten problemen - willekeurige toegang tot kleine stukjes informatie - maar dit soort input/output-intensieve taak is precies wat de bestaande infrastructuur van webbedrijven zoals Facebook onder druk zet.
Als je naar Facebook.com gaat, bevat de startpagina honderden afzonderlijke gegevenselementen, die worden vertaald in honderden interne zoekopdrachten, zegt Andersen. Verzoeken voor die honderden elementen, waaronder updates van vrienden, het aantal berichten in een inbox en meer, worden doorgegeven aan een gespecialiseerd stuk software, genaamd geheugen opgeslagen , die relevante gegevens in RAM opslaat. Memcached voorkomt dat de op schijf gebaseerde databases van Facebook worden overspoeld door een brandslang van miljoenen gelijktijdige verzoeken om kleine stukjes informatie. Amazon, dat min of meer hetzelfde probleem heeft als Facebook met zijn winkelwagentje en aangepaste aanbevelingen, gebruikt een soortgelijk stuk op maat gemaakte software, Dynamo genaamd, om bijna dezelfde functie uit te voeren.
Een manier waarop FAWN software zoals memcached en Dynamo vervangt, is door het overwinnen van wat computerwetenschappers de geheugenmuur noemen, het enorme verschil tussen de snelheid waarmee op schijf gebaseerde opslag gegevens naar een CPU kan sturen en de snelheid waarmee een CPU, die is veel sneller, kan door die gegevens kauwen. (Andersen wijst erop dat moderne CPU's een enorm aantal transistors gebruiken die proberen te raden welke gegevens ze kunnen verwachten, gegevens vooraf ophalen of in het geheugen opslaan om ervoor te zorgen dat de chip altijd een constante aanvoer van bits heeft om te verwerken.)
Er zijn twee manieren om de geheugenmuur te omzeilen: de eerste is om de prestaties van het geheugen van een systeem te verbeteren en de tweede is gewoon om de CPU te vertragen. FAWN doet beide: flash-geheugen heeft veel snellere willekeurige toegang dan opslag op schijf, en de langzamere processors van FAWN hebben minder stroom nodig en verspillen minder transistors om te raden wat er gaat komen.
FAWN bestaat uit vele afzonderlijke knooppunten, elk met een enkele AMD Geode-processor van 500 megahertz (dezelfde chip die werd gebruikt in de eerste One Laptop Per Child-laptop van $ 100) met 256 megabyte RAM en een enkele compact flash-kaart van vier gigabyte. Het grootste FAWN-cluster dat tot nu toe is gebouwd, bestaande uit 21 knooppunten, trekt maximaal 85 watt onder realistische omstandigheden.
Elk FAWN-knooppunt voert 364 zoekopdrachten per seconde per watt uit, wat honderd keer beter is dan kan worden bereikt door een traditioneel schijfgebaseerd systeem dat werkt aan een invoer-/uitvoerintensieve taak, zoals het verzamelen van alle ongelijksoortige stukjes informatie die nodig zijn om weer te geven een Facebook- of FriendFeed-pagina of een Google-zoekresultaat.
Dit soort prestaties kunnen toepassingen hebben buiten het datacenter, zegt Steven Swanson , een assistent-professor in de afdeling computerwetenschappen en techniek aan de Universiteit van Californië, San Diego. De eigen krachtige, op flashgeheugen gebaseerde server van Swanson, Gordon genaamd, die momenteel alleen als simulatie bestaat, lijkt qua architectuur op FAWN, maar is ontworpen met het oog op wetenschappelijke toepassingen en datacenters.
Het doel van Swanson is om de unieke kwaliteiten van flash-geheugen te benutten om problemen aan te pakken die momenteel onmogelijk zijn op te lossen met iets anders dan de krachtigste en duurste supercomputers op aarde - systemen met maximaal een petabyte RAM. We werken met het San Diego Supercomputing Center aan grote genomics- en bioinformatica-patronen, zegt Swanson. We willen zoekopdrachten heel snel doen, en als de gegevensgrafieken niet in het RAM passen, worden ze erg traag, wat betekent dat je de trouw in de simulatie moet opgeven.
FAWN is de juiste richting om te pushen, zegt Niraj Tolia , een onderzoeker in het Exascale Computing Lab van HP Labs. De dagen dat we alleen maar naar ruwe prestaties keken als een maatstaf, zijn voorbij, voegt hij eraan toe.
Momenteel is FAWN niet geschikt voor CPU-intensieve taken zoals het verwerken van video, maar Andersen zegt dat toekomstige iteraties de krachtigere Atom-processors zullen gebruiken (die Swanson ook overweegt voor zijn Gordon-systeem). Deze krachtigere processors zijn ontworpen voor netbooks en verbruiken dezelfde hoeveelheid stroom als de AMD-chips: elk ongeveer vier watt. Voeg een voeding en wat netwerkapparatuur toe en je zou heel gemakkelijk een kleine website op een van deze servers kunnen draaien, en het zou 10 watt verbruiken, zegt Andersen, een tiende van wat een typische webserver verbruikt.
De volgende generatie FAWN is iets dat Andersen hoopt dat de grootste gebruikers van datacenters zullen onderzoeken. Ik zou het geweldig vinden als we Facebook of Google of Microsoft ertoe zouden kunnen brengen hiermee clusters te gaan bouwen, zegt hij.