クラスターマシンとは？

質問

近くクラスタマシンのスパコンを使う予定です。
クラスタマシンてなんですか？
複数のサーバからなるというのはいいです。

スパコンは、ベクトル機とスカラ機がありますが、最近の主流はスカラ機です。
多くのノードにわかれ、各ノードはCPUコアと専用キャッシュとノード内での
共有メモリ（と専用メモリ）からなります。各ノードはOSも持っています。
各ノードは他のノードと高速のネットワークでつながっています。特に高速のネットワークで
つながっている範囲はスーパーノードなんていうようです。

クラスタマシンもおそらく、各サーバに複数のCPUコアと専用キャッシュ、共有メモリ
からなっていて、各サーバは高速のネットワークでつながっていると思われます。

なのでスカラ機は、複数のノードからなるのでクラスタマシンのようにも
思うのですが、どうもスカラ機とクラスタマシンは違うもののようです。
スカラ機でもクラスタマシンでないものもあるのでしょうか。
それはどのようなシステムでしょうか。

複数のノードから構成される、と、複数のサーバから構成される、の違いが
よくわかりません。

詳しい方教えてください。

回答No.2

nerimaok

歴史的にはクラスターマシンは複数の汎用PCをネットワークで接続した物
SETI@HomeみたいにみんなのPCの余っているCPUパワーを持ち寄って計算するなどで使われました。
(今だとBitCoinがこの手のシステムです)

遠距離のネットワークでは遅延も大きいし管理が大変だから、ラックサーバーの形式にして複数のPCを接続
さらに演算ユニットとしてCPUだけでなくGPUも利用可能になったので大量のGPUを搭載できるPC「もどき」(そろそろ単体PCとしての動作は期待しない)と進化しています。

基本パーツは市販されている安い物で性能を出すのがクラスターシマシンとなります。

回答No.1

parts

いやいや・・・これは不味いでしょう。カタログか何かを読んでイメージしたように見えますが・・・。

CLUSTER（クラスター）というのは、集団を意味する言葉です。（ぶどうなどの房をクラスターという。以前話題になったのは、クラスター爆弾などが話題になりました）
クラスタといってもいろいろ種類があり、リソースを共有するもの、複数のリソースサーバーがあり、いくつかを常用ノードに、残りを待機ノードにして、障害発生時にシームレスで切り替えられるもの、単純に複数のコンピュータを集めて、ネットワークで結合しネットワーク上でデータ共有したものなどがあります。要は、集団で一つの何かを達成する装置がクラスター装置です。

それから、端的に書けばスカラ型（スーパースカラのこと）というのはプロセッサの基本構造による演算の仕方の違いを示すだけです。スカラにノードなどの意味合いはありませんし、共有キャッシュの仕様なども含まれていません。（共有キャッシュなどの仕組みは、プロセッサのアーキテクチャやサーバープラットフォームで決まるものです。ベクトル型でも共有メモリやノードを組むことは可能です）
スカラ型は、プロセッサ内で命令実行をする際にマルチフェチを行うとともに、複数の命令を並列に同時実行できるプロセッサコアのことです。サーバーでなくとも、スマートフォンなどに使われるCPU（SnapdragonやCortex A15など）でも使われています。演算回路は複数の同じまたは異なるレジスタユニットで構成されており、それぞれに並列して命令を実行させることができます。パソコン用プロセッサでは、Penitumが最初にVパイプとUパイプの２つの演算ユニットを装備したのが始まりとなります。その後Pentium4で４つのALUを搭載（IDFでは２つのALUをコアクロックの2倍で稼働とした）するなど、同時に演算できる内容を広げることで、処理速度を速める手法です。

現在、プロセッサの主流として使われていますが、レジスタの役割がいくつかに分かれていることも多いので、１つのプロセッサの演算実行の効率は、比較的低くとどまる傾向があるのが特徴です。要は、ピーク性能を継続的に発揮するのは簡単ではないのが、このプロセッサ構造です。
尚、スカラ型のパイプは、分岐予測を用いたOut-Of-Orderまたは、In-Orderのどちらとなり、ステージを通過する間に演算処理のステップを踏むという方式となります。In-Orderでは１つの実行が完了したら次の実行を順番に行います。
Out-Of-Orderでは、実行できる命令を順番に関係なく実行させます。
すなわち、スカラ機といえば、厳密に言えばスマートフォンもスカラです。パーソナルコンピュータもスカラです。プリンタにもスカラ型のプロセッサが使われてます。

尚、ベクトル型のスパコンプロセッサは、現在は世界でNECのみがSXシリーズを販売しています。
それ以外のメーカーは既にベクトルプロセッサからは撤退しています。
ベクトル型プロセッサは、命令実行を行うレジスタの仕様が、主にSIMD中心の演算ユニットの集まりとなります。命令はパイプライン方式で実行されますが、命令発行はパイプラインを通過している間に順番に行われるのではなく、たいていの場合すべてのパイプユニットに一斉に発行されるという特徴があります。
スカラに比べて演算は直接的にそしてシンプルに実行されます。そのため、リソースの無駄が少なく、プロセッサのピーク性能を発揮しやすいという特徴があります。

尚、なぜベクトル型が廃れてきたかというと、スカラ型のプロセッサにベクタ演算ユニット（SIMD演算装置）が搭載されたことと、そもそもPCなどではベクトル型が、普及しなかったためです。命令の仕様もベクトル型専用になりますから、やはりハードが普及していないと、なかなか売りにくいのです。
コストも高く、ソフトウェア資産の開発も限定的になったため、徐々にスカラ主流になったのです。

それでも、現在においても日本では地球シミュレーター、海外でも主に気象当局などに売れる傾向があります。高度な物理シミュレーションを高効率で行うという場合には、規模から考えると比較的よい性能を発揮するとされています。

ノード（Node）とは、一般に分岐点や交点を示す言葉です。
要は、つなぎ目に相当するもので、コンピュータ用語としてノードを使うと、一般に当該のネットワークで結ばれたすべての機器との接点をノードといいます。複数のノードというのは、小さなネットワークの集まりをいくつか作り、それを一つのコンピュータネットワークに見立てます。そのようなまとまりを、いくつか作り、それらを大きなまとまりとして高速なネットワークとしてつなぎあげると、複数のノードから構成されるスーパーノードが誕生します。つなぎ方を工夫することで、一部が壊れたり、通信不能になっても、ほかのノードからの通信で動作を維持することもできます。

サーバとは、クライアント（端末/要求者）に対する提供元となるハードのことです。
複数のサーバというのは、同一または違う役割を持ったサーバーがいくつもあるということです。

最後にスーパーコンピューターというのは、特殊な演算解析を専門に行うコンピュータのことです。
1台のタワー型のコンピュータのような形状のものから、大型冷蔵庫ほどのボックス（サーバーラック、またはサーバーキャビネット）に収まったコンピュータを複数並べて、それらをネットワークや専用ケーブルで結んで使うものなど、いろいろな種類があります。
HPCやスパコン、超速コンピュータなどと呼ばれることもあります。