Микросерверы: что о них нужно знать

02.04.2014 | 23:49 Аналитика

Предприятия экспериментируют с кластерами высокой плотности, маломощными серверами, известными как микросерверы, которые подходят для растущих гипермасштабируемых нагрузок внутри современных центров обработки данных. И вот почему они имеют значение.

В течение многих десятилетий, серверы были обычными рабочими лошадками центров обработки данных. Они были мастерами на все руки, способными обработать операции для организаций любой формы и размера.

Но некоторые предприятия не хотят машину для всего, вместо этого они хотят компьютер, который выделяется для конкретных задач.

Микросерверы представляют собой новую категорию систем, предназначенных для работы с этими четко определенными вычислительными нагрузками.

Необходимость в микросерверах частично была вызвана ростом Интернета и онлайн-сервисов. Нагрузка такого рода контента (загрузка процессора и операции ввода/вывода, необходимые для доставки статических элементов веб-страницы) — предсказуема.

Количественный характер этих нагрузок позволяет подобрать необходимые и достаточные микросерверы конкретно для выполнения этих задач.

«Мы называем их определяемые приложениями серверы, в отличие от серверов общего назначения», сказал Пол Морган, бизнес-менеджер по гипермасштабированию компании HP о микросерверах НР Moonshot.

«С Moonshot мы берём приложение, а затем строим картридж специально для этого приложения. При этом, что мы получаем лучшую цену за производительность на ватт», сказал он.
Обслуживание веб-контента является хорошим примером типа нагрузки, для которой микросерверы подходят по другой причине — это «масштабируемая» нагрузка.

Масштабируемые нагрузки являются задачами, которые могут быть выполнены параллельно, что позволяет им быть разделенными между несколькими компьютерами. Поскольку спрос на масштабируемые рабочие нагрузки растет, можно просто добавлять больше серверов.
Как правило, как кластеры серверов растут так, что часть ресурсов не используется. Но поскольку архитектура микросерверов уже урезана до конкретных компонентов, пригодных для назначенного задания, в результате уменьшается неэффективность.

Узкая направленность микросерверов означает, что их дизайн обычно отличается от серверов среднего класса на более дорогих процессорах Intel Xeon или AMD Opteron.

 

Картриджи микросервера Moonshot, упакованные в шасси высокой плотности.

Как следует из названия, микросерверы малы. HP может затолкнуть более 400 своих серверных картриджей HP ProLiant m300 в одну стойку 42U, и каждый из этих картриджей может поддерживать несколько узлов сервера.

Возможность втиснуть так много серверов в одну стойку предоставляет способность для этих серверов делиться инфраструктурой, и при этом повысить эффективность и быть проще в управлении. Например, картриджи Moonshot разделяют питание, охлаждение и работу сети, встроенные в шасси. Шасси Moonshot 1500 имеют 180 гигабитных линий, по одному для каждого из серверных узлов, когда шасси заполнено 45-ю четырехъядерными серверными картриджами.

Потребляемая мощность микросерверов намного ниже, чем систем высокого класса общего назначения. Микросерверы являются однокристальными системами (SoC -System on a Chip), а они, как правило, имеют TDP (Thermal Design Power — величина, показывающая, на отвод какой тепловой мощности должна быть рассчитана система охлаждения процессора) около 20Вт или ниже, по сравнению с 90Вт для сервера высокого класса. Кроме процессоров с низким энергопотреблением, экономия энергии достигается также схемами, связанными с сетевым интерфейом, охлажденим и питаним, используемыми в шасси микросервера.

HP утверждает, что в тестировании её 1600 микросерверов Moonshot Calxeda EnergyCore, построенных на базе ARM SoC, упакованных в наполовину заполненную серверную стойку, они смогли справиться с легкой масштабируемой нагрузкой приложения, которая требовала 10 стоек с серверами 1U, при этом, с меньшим количеством кабелей, переключателей и сложности внешних устройств. В результате, по словам HP, нагрузка использует на 89% меньше энергии, а решение стоит на 63% дешевле.

 
Как микросерверы выглядят по-сравнению с другими форм-факторами серверов

Микросерверы используют процессоры, которые обычно не ассоциируются с серверами – энергоэффективные однокристальные системы, которые встречаются в мобильных устройствах, которые должны продлевать время работы аккумулятора.

Процессоры Intel и ARM-процессоры наиболее часто встречаются внутри микросерверов. 64-битный процессор Intel Atom «Avoton» C2750 с частотой 2,4GHz установленный внутри картриджа микросервера HP ProLiant M300, имеет TDP в 20 Вт и является частью семейства процессоров, предназначенных для планшетов и смартфонов. Между тем, Calxeda’s ECX-2000 построенна на 1.8GHz четырехъядерных 32-битных процессорах, основанных на дизайне Cortex A15, которые используются в ряде чипов, предназначенных для смартфонов и планшетов, имеет TDP около 12 Вт.

SeaMicro, которая принадлежит AMD, также продемонстрировала, как модель плотного вычислительного кластера может быть расширена до более мощных и энергоёмких процессоров, предлагая возможность использовать процессор Opteron с восемью ядрами «Piledriver», работающий на частоте до 2,8GHz, внутри одного из устройств SM15000. То же устройство доступно с четырехъядерными процессорами Intel Xeon E3, работающими на частоте до 3.7GHz.

Для чего используются микросерверы?

Диапазон рабочих нагрузок, обрабатываемых микросерверами расширяется. Первое поколение было сосредоточено на относительно лёгких для процессора задачах, таких как обслуживание статических элементов веб-страниц, но второе поколение использует широкий спектр более мощных (но все ещё не требующих большой энергии) SoC — и, что немаловажно, имеющих поддержку 64-бит и большего количества памяти. Возможности этих расширенных микросерверов используются в таких задачах, как обслуживание динамических веб-элементов (например, обновляемый AJAX), обслуживание размещенных настольных компьютеров и цифровая обработка сигнала для телекоммуникационных компаний.

Эррол Рэсит, директор по исследованиям динамики центров обработки данных в Gartner, заявил, что число задач, подходящих для масштабирования кластерами микросерверов будет продолжать расти, поскольку возникают новые рабочие нагрузки, такие как анализ больших данных.

«Они имеют применимость к нагрузке некоторой аналитики больших данных, где крайне важна масштабируемость и параллельная обработка. Например, такие типы сред как NoSQL, являются вычислительно слабыми, но требуют высокой пропускной способности. Такого рода процессоры могу хорошо подходить для этого стиля архитектуры».

Ряд кластеров микросерверов уже нацелены на рынок больших данных, такие как устройства AMD SeaMicro SM15000, которые AMD описывает как «Hadoop в коробке», в связи с его сертификацией для работы CDH4 — Apache Hadoop версии 4 от Cloudera.

Крупных компаний, использующих кластеры микросерверов в производстве, относительно мало. Наиболее яркий пример — Verizon, которая использует устройства SeaMicro SM15000 для подкрепления своей глобальной облачной платформы. Однако всё больше компаний тестируют микросерверы: PayPal, например, тестировала небольшое количество картриджей микросерверов HP Moonshot в рамках платформы больших данных. Провайдер платежей использовала картриджи для вывода данных файлов в Hadoop Distributed File System и в HP Vertica Analytics Platform в одном потоке.

Хотя рынок микросерверов будет расти, их будущее использование может быть ограничено количеством однородных рабочих нагрузок, существующих на многих предприятиях. Большинству предприятий по-прежнему необходимы серверы общего назначения для выполнения смешанных рабочих нагрузок — работе с базами данных или хостингу корпоративных бизнес-приложений.

Вычислительная мощность процессоров внутри большинства микросерверов также ограничена по сравнению с серверными процессорами более высокого класса, такими как Intel Xeon E5 и E7, так что микросерверы не подходят для выполнения вычислений для требовательных рабочих нагрузок, если эти задачи не могут быть разделены на более мелкие работы и осуществлены параллельно на кластере микросервера. Это ограничение является причиной того, что первоначальное использование микросерверов ограничено задачами, где индивидуальная нагрузка на процессор низкая, но требуется высокая пропускная способность ввода/вывода, например, обслуживание статических элементов на веб-странице.

Стоимость адаптации программного обеспечения для эффективного распределения нагрузки между микросерверами станет еще одним препятствием на пути к их внедрению. Ввод рабочих нагрузок на эти кластеры потребует переписать программное обеспечение для включения параллельной обработки задачи микросерверами, по словам старшего вице-президента компании Google по операциям Урса Холзла, что может нивелировать экономию на капитальных и эксплуатационных расходах.

Стоит заметить, что число серверов, работающих с однородными рабочими нагрузками подлежит увеличению с течением времени, так как новое программное обеспечение лучше использующее параллельную обработку и выходит на первый план, поскольку компании увеличивают использование масштабируемых рабочих нагрузок для анализа больших данных, и больше рабочих нагрузок мигрируют в облачные услуги, сосредоточенные на выполнении определенных задач.

Другим фактором, который может замедлить принятие, является то, что, на первый взгляд, микросерверы решают проблему, которая уже была решена исключительно за счет виртуализации. Как и микросерверы, виртуализация серверов общего назначения обеспечивает способ предоставления физического вычисления, хранения и сетевых сервисов по требованию.

Преимущества перемещения однородных рабочих нагрузок от виртуализированных серверов общего назначения к кластеру микросевера сразу не проявятся.
«Это очень сложный вопрос сравнения для многих организаций — конечных пользователей, потому что если мощность их основная движущая сила — то да, они получат много пользы от виртуализации в качестве основного продукта», сказал Рэсит из Gartner. «Для широкой аудитории, возможности виртуализации продукта на Xeon или Opteron, вероятно, будут статус-кво».

«Вы должны реально сравнить мощности, потребляемые этими системами и мощности, потребляемые низкоэнергетическими системами. Именно поэтому один на один шаг дальше для многих организаций. Выгода может быть или не быть, но вы должны действительно сделать некоторые исследования, чтобы определить — есть ли польза», добавил Рэсит.

Одно из возможных преимуществ кластеров над виртуализированными серверами является доступность. Рэсит приводит пример устройства SeaMicro с 512-тью процессорами Atom по сравнению с двухпроцессорным сервером Xeon, таким как HP DL380, запускающим 512 виртуальных машин. Оба устройства могут быть использованы для обслуживания веб-контента, но если один из SeaMicros откажет, остаются ещё 511 узлов сервера, обслуживающих контент,  при этом потеря узла на сервере Xeon выведет из строя гораздо больше виртуальных машин.

Микросерверы являются только крошечной частью серверного рынка в настоящее время, а рост прогнозируется до скромных пяти процентов от мирового рынка серверов к 2017 году, согласно данным Gartner. Аналитики IHS iSuppli немного более оптимистично настроены в отношении их перспектив, предсказывая, что на микросерверы будет приходиться 10% объёмов серверных поставок в 2016 году.

 
Прогнозируемый рост микросерверов: IHS iSuppli

«Рынок все еще находится в стадии становления», говорит Рэсит из Gartner. «Мы наблюдаем инертность. Рынок довольно консервативен по своей природе, так что любой сдвиг в парадигме может занять от 5 до 10 лет, чтобы стать зрелым. Посмотрите на внедрение блейд-серверов, которые не являются огромным скачком от оптимизированных стоечных серверов, но потребовалось большая часть последнего десятилетия, чтобы они были приняты в обычных организациях».
«Мы не ожидаем, что микросерверы получат мгновенную популярность, но возможности для конкретных нагрузок могут обеспечить оптимизацию. Также мы должны признать борьбу, которая имеет место в большинстве организаций. Их главное соображение в большинстве случаев — просто поддерживать рабочие процессы в существующем виде», добавил Рэсит.
Наряду с HP, Dell является другим крупным OEM производителем микросерверов. В 2012 году она начала предлагать свои серверы Copper, основанные на процессоре Marvell Technologies Armada XP.

Dell объявила, что делает микросервер на основе 64-разрядной ARM SoC доступным для теста клиентами в этом году. Микросервер будет использовать Applied Micro X-Gene, основанный на архитектуре ARMv8.
Наряду со своей работой с ARM, Dell также демонстрирует микросерверы на базе процессоров Intel, предназначенных для холодного хранения. DCS 1300 основан на Intel Atom семейства C2000 и предлагает до 12-ти 3,5-дюймовых дисков с горячей заменой в корпусе 1U.
AMD продемонстрировала приверженность микросерверам в 2012 году, когда купила SeaMicro, которая специализируется на создании серверов, предназначенных для упаковки в ультра-плотные, маломощные кластеры. AMD довольно честно ставит любые процессоры в устройства SeaMicro, предлагая SM15000 Fabric Compute Systems как с процессорами AMD, так и с процессорами Intel x86.
Кроме HP, Dell и AMD с SeaMicro, есть ряд менее известных создателей систем, делающих микросерверы на Intel и ARM-процессорах. К ним относятся Penguin Computing и Boston, а также стартапы, вроде Servergy, которая строит микросерверы, основанные на архитектуре Freescale Power.

Будущее центров обработки данных

Корпоративные серверы традиционно являются автономными компьютерами, включая хранилище и сетевые интерфейсы в материнской плате. В противоположность этому, архитектура кластеров микросерверов представляет собой еще один шаг на пути отдаления хранилища и сетевых интерфейсов от отдельных серверов.
 
Разделение серверных материнских плат таким образом, идёт на пользу создания отдельных пулов стоек уровня инфраструктуры —  вычислительных, системы хранения и сети, что указывает на потенциальную модель для будущих центров обработки данных, которые будут соединяться быстрыми каналами, такими как кремниевая фотоника, в соответствии с Рэсит из Gartner.

 
Будущий потенциал кремниевой фотоники. Изображение: Intel

«Вы не будете думать об этом как об аппаратных частях, можно думать о сервере, как о частях для вычислений, ресурсах памяти или ресурсах ввода/вывода. Идея состоит в том, что ресурсы строятся на основе требований данной рабочей нагрузки», сказал он.
«Кремниевая фотоника начнёт разрешать разбивку систем в масштабе и на расстоянии. Как только фотоника станет более распространённой, стоимость снизится, и вот тогда мы сможем увидеть разделение».

Микросерверы являются примером подхода превращения отдельных серверов в ткань вычислений, сети и хранилища. Устройства SeaMicro SM15000 предлагают доступные процессоры, хранилище и память для программируемого слоя сети, обеспечивающего точный контроль над порционностью ресурсов для рабочих нагрузок. Устройство Freedom Supercomputer Fabric предоставляет 1.28Tbps полосы пропускания, поддерживая до 512 процессорных ядер и пяти петабайт дискового пространства в одной системе.

Какая архитектура в микросерверах победит — Intel или ARM?

Хотя еще слишком рано говорить о том, какие процессоры — Intel x86 или ARM возьмут верх на рынке микросерверов, обе конструкции чипа имеют свои преимущества.
Преимущество ARM над Intel может лежать в разнообразии его экосистемы. ARM лицензирует свои проекты чипов для сотен компаний по производству полупроводников, которые встраивают этот дизайн в свои чипы, прежде чем продавать их на широком спектре рынков.
Многие ARM-партнеры могут производить более широкий спектр платформ микросерверов, каждая из которых может иметь различный дизайн — дополнительную сетевую емкость или интерфейсы для периферийных устройств, подходящих для различных вычислительных нагрузок — для обслуживания веб-контента или анализа больших данных.

Intel производит широкий спектр SoC, основываясь на дизайне Atom. Она предлагая более 50 чипов, направленных на серверы, системы хранения и рынок связи (на основе 64-битной платформы Atom Avoton). Однако одной компании трудно конкурировать с экосистемой сотен чип-мейкеров, когда дело доходит до широты предложений.

«Я не верю, что одна компания может проектировать все чипы на планете. Нужно иметь разных людей, разные специализации и опыт в масштабе от маленьких микроконтроллеров до суперкомпьютеров. Бизнес-модель обеспечивает разнообразие, и разнообразие является одной из причин силы ARM-экосистемы», сказал Майк Мюллер, один из основателей ARM в 2012 году.
Тем не менее, огромное количество компаний, производящих SoC на основе ARM не может оказаться тем фактором, который решает, какие чипы будут доминировать на рынке микросерверов. Чтобы платформа микросерверов была жизнеспособной, она должна справляться с вычислительной нагрузкой значительного числа клиентов. Возможности предоставления аппаратных платформ для этого ограниченного числа распространенных рабочих нагрузок, вероятно, равны возможностям Intel, так же как возможностям партнеров ARM.

Но гибкость, которую ARM предлагает производителям чипов в изменении дизайна и создании платформы, соответствующей специфической потребности, также может оказаться решающей в победе.
Google, по слухам, рассматривает проектирование ARM-чипов для своих серверов, а Facebook также экспериментирует с использованием ARM-серверов в производстве.
Этот шаг соответствует работе двух веб-гигантов над своими центрами обработки данных и программным стеком для рабочих нагрузок — Facebook в проекте Open Compute и Google сама по себе, за закрытыми дверями.
А где Google и Facebook сегодня, туда завтра следуют все корпорации, в соответствии с Рэсит из компании Gartner.
«Наибольшие влияние на ЦОДы сегодня оказывает гипермасштабируемость. Они показывают направление будущего», сказал Рэсит. «У них есть огромное количество инженеров и технических экспертов, и как правило, они имеют прямой контроль над программным обеспечением, которое они пишут и развертывают в своих центрах обработки данных. Это ингредиенты, которые говорят о скорейшем принятии альтернативных архитектур для оптимизации».
«Мы уже наблюдаем испытание этой архитектуры в центрах обработки данных. Но мы не должны забывать, что в центрах обработки данных достаточно гомогенная смесь рабочих нагрузок, в то время как в любом банке или в рознице среда будет гетерогенная, так, что происходящее — хороший показатель будущего направления, но не гарантирует успех в будущем».
Реакция Intel на требования к аппаратной части компьютера, подходящего для конкретных вычислительных задач заключается в том, что компания будет предлагать на заказ конструкций чипов для своих крупнейших клиентов, добавляя наборы инструкций, конкретные тактовые частоты и настройку интерфейсов в SoC.
Intel также имеет производственные преимущества перед партнерами ARM. Intel может производить чипы с меньшей площадью кристалла, что позволяет втиснуть больше транзисторов на небольших чипах и увеличить мощность вычислений на ватт. В пространстве микросерверов, Intel также была первой, кто ввел 64-разрядней SoC с поддержкой памяти ECC — с выпуском своей серии Avoton в прошлом году.

Внедрив первой поддержку 64-бит в маломощных системах на кристалле, Intel атаковала ARM и её партнеров и поддержкой ECC, что кажется, требуется только для рабочих нагрузок корпоративного уровня. HP также выбрала Intel Centerton для первых картриджей Moonshot, а не чипсет на ARM основе.
Однако 64-разрядные ARM-системы на кристалле, направленные на рынок микросерверов уже в пути, и HP планирует выпустить Moonshot картридж на основе 64-разрядного ARM-чипа в конце этого года, вероятно в Applied Micro X-Gene.
Предстоящий чипсет от AMD Seattle должен повысить бизнес-привлекательность ARM платформы. Уже официально объявлен Opteron А1100, который будет использовать четыре или восемь ядер AMD Cortex A57, каждое из которых работает на частоте более чем 2GHz. SoC будет включать в себя множество функций, направленных на рабочие нагрузки корпоративного уровня: 64-разрядный процессор, 4 Мб кэш-памяти L2 и кэш-память 8 Мб L3, поддерживает до 128GB оперативной памяти DDR3. Чип также включает в себя восемь полос PCIe 3.0 контроллера, с восемью портами 6Гбит SATA контроллера и поддержку 2 х 10GbE.

Еще одно преимущество Intel в настоящее время над ARM в том, что большинство программного обеспечения ЦОДов было создано для работы на архитектуре Intel x86.
Для многих компаний, переключение существующих рабочих нагрузок на ARM может потребовать переписывания/замены части их существующего стека программного обеспечения, а также переподготовки IT-персонала. В то время как целый ряд программного обеспечения, используемого в центрах обработки данных, теперь может работать на ARM — стеке LAMP, обычно используемым для обслуживания веб-контента программам, например, Ubuntu LTS ещё предстоит быть портированными, в том числе Red Hat Enterprise Linux.

Рэсит из Gartner заявил, что различные реализации ARM-чипов сторонних компаний могут также усложнить перенос корпоративного программного обеспечения на платформу.
«Некоторые из ARM конструкций в конечном итоге сталкиваются с проблемой с самого начала из-за отсутствия согласованной экосистемы программного обеспечения», сказал он. «Ценность этих систем не ограничивается процессором, дело в плотности и потребляемой мощности. Варианты от Intel или AMD хороши, потому что они имеют архитектуру x86, и поддерживают огромную экосистему приложений».

В то время как в дизайне чипов ARM было много сделано для способности выжимать больше вычислительной мощности из ватта электроэнергии, Intel предпринимает шаги для снижения потребляемой мощности и повышения эффективности своих процессоров, и до сих пор её производственный процесс опережает ARM чип-мейкеров, таких как TSMC. Если эти две компании, в конечном итоге, придут к SoC с похожей эффективностью, производительность ARM на ватт не может стать причиной того, что предприятия перейдут на ARM в центрах обработки данных.

Заключение

Микросерверы всё ещё находятся в зачаточном состоянии, и ещё не широко используются на предприятиях. Но есть растущий спрос бизнеса на аппаратные средства для конкретных приложений, так как фирмы начинают искать новые пути для выполнения однородных рабочих масштабируемых нагрузок.
Спектр рабочих нагрузок микросерверов растет, поскольку всё больше предприятий берутся за задачи, которые могут быть распределены между кластерами микросерверов и обрабатываться параллельно, например, анализ больших данных. Микросерверы также обеспечивают альтернативный платформу для выполнения специализированных работ, ранее недоступных из-за высокой стоимости проприетарных технологий, таких как цифровая обработка сигналов. И поскольку возможности маломощных чипсетов, лежащих в основе микросерверов растут, станет возможным выполнение большего числа задач с использованием этой платформы.
Возможно, более важно, что кластеры микросерверов обеспечивают взгляд на то, как общие вычисления, системы хранения и сети в пределах центра обработки данных могут в один прекрасный день быть разбиты и преобразованы в гибкие пулы ресурсов, раздаваемые по мере необходимости.