pixtend anwendungsbeispiel „supercomputer“€¦ · „supercomputer“ beim anwendungsbeispiel...
TRANSCRIPT
®PiXtend®PiXtend
Anwendungsbeispiel
„Supercomputer“
Beim Anwendungsbeispiel „Supercomputer“
haben wir einen kompletten Serverraum in
Miniatur nachgebildet.
PiXtend übernimmt dabei eine Vielzahl an
Aufgaben. Es werden alle relevanten Größen
wie Temperaturen, Ströme und der Zustand
jedes beteiligten Rechners überwacht.
Aufbauend auf diesen Messwerten können
automatische Funktionen ausgeführt werden.
Beispielsweise werden die Lüfter abhängig von
der Rechenlast und der Umgebungstemperatur
vollautomatisch geregelt.
Auch Komfort-Funktionen, wie die Beleuchtung
der einzelnen Sektionen, können über die
Web-Bedienoberfläche vom PC, Tablet oder
Smartphone gesteuert werden.
Der eigentliche Rechenkern besteht aus drei
Clustern mit jeweils vier Raspberry Pi 3
Einplatinencomputern. Diese verbinden sich
über die integrierte WLAN-Schnittstelle mit der
PiXtend-SPS. Status-LEDs geben direkt am
Gerät Aufschluss über den Zustand der Rechner.
Im untersten Teil unseres Supercomputers, der
sogenannten „Maschinenhalle“, befindet sich
die Infrastruktur. Zentrale Netzteile und
Schutzeinrichtungen versorgen das gesamte
System. PiXtend erfasst die Energieflüsse und
zeichnet diese auf.
„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“
Als Software-Basis für das „verteilte Rechnen“ auf den zwölf
Raspberry Pi Computern haben wir auf BOINC gesetzt
(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing).
Mit Hilfe des BOINC-Client kann die Rechenleistung beliebig vieler
Computer für ein oder mehrer Projekte zur Verfügung gestellt
werden. Die Anzahl der beteiligten Rechner an allen Projekten liegt
bei rund 400.000. Die BOINC-Projekte beschäftigen sich
beispielweise mit folgenden Themengebieten:
Erstellung eines genaueren 3D-Modells der Milchstraße
Vorhersage zur Klimaentwicklung
Suche nach außerirdischem Leben
Erforschung neuer Medikamente
Lösen mathematischer Probleme
Die Rechenleistung unseres Supercomputers stellen wir aktuell
dem größten BOINC-Projekt - SETI@home - zur Verfügung.
Ü
Ü
Ü
Ü
Ü
®PiXtend®PiXtend
Anwendungsbeispiel
„Supercomputer“
„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“
Leistung
Die Leistungsfähigkeit des Raspberry Pi Computers hat von
der ersten Version 2012 bis heute (2016) stark
zugenommen.
In der aktuellen Version - 3 B - ist ein Quad-Core Prozessor
der neuen ARMv8 Generation mit 64 bit Architektur verbaut.
Die Rechenleistung pro Core ist im Vergleich zu modernen
x86-Prozessoren trotzdem relativ gering.
Jedoch haben wir unseren Supercomputer mit 12 Stück
der genannten Einplatinencomputer ausgestattet.
Dadurch ergibt sich eine ansehnliche Rechenleistung und
eine Energieeffizienz, bei der normale PC, Notebooks und
Workstations nicht mithalten können (siehe Diagramme -
unten).
Auch im Vergleich zu großen Servern bzw. Supercomputern
schneidet unsere 48-Core Maschine gut ab.
In der „Green 500 Liste“* der effizientesten Supercomputer
würde der PiXtend-Supercomputer einen Platz im Mittelfeld
belegen.
Diese überraschend guten Werte konnten wir aufgrund der
effizienten ARM-Prozessoren und durch die Verwendung
des onboard WLAN-Moduls des RPi 3 B erreichen.
Auf eine Datenverbindung per (Ethernet-)Kabel und
Switches wurde verzichtet, was Kosten, Platz und
Stromverbrauch reduzierte. Die Stromaufnahme des
PiXtend-Systems ist hier nahezu vernachlässigbar.
Eckdaten des Rechenkerns
12x Raspberry Pi 3 B
48x Cores, ARMv8, 64 bit, 1,2 GHz
12 GB Arbeitsspeicher, DDR2
96 GB Datenspeicher
Rechenleistung:
~ 0,75 GFLOPs pro Core
~ 36 GFLOPs gesamt
Elektrische Leistung: ~ 50 Watt
Ü
Ü
Ü
Ü
Ü
Ü
Vergleichsrechner
Notebook
Intel Core i5-6200U, Mobile CPU
2,3 - 2,8 GHz, 2 Cores, 4 Threads
TDP: 15 W, 14 nm Technik
8 GB Arbeitsspeicher, DDR3L
Workstation
Intel Xeon E3-1231v3, Server CPU
3,4 - 3,8 GHz, 4 Cores, 8 Threads
TDP: 80 W, 22 nm Technik
16 GB Arbeitsspeicher, DDR3
Ü
Ü
Ü
Ü
MFLOPs - Million Floating Point Operations per Second
(Millionen Gleitkomma Berechnungen pro Sekunde)
MFLOPs/W - MFLOPs pro Watt
(Rechenleistung pro elektrischer Leistung - Effizienz
* Bezogen auf die MFLOPs/W - Stand November 2015
Alle genannten Leistungsdaten beziehen sich auf die
Berechnungsgeschwindigkeit mit BOINC (BOINC-Benchmark).
www.green500.org
®PiXtend®PiXtend
Anwendungsbeispiel
„Supercomputer“
„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“
Kommunikation & Daten
Über BOINC arbeiten die 12 Rechner gemeinsam an
einem großen Projekt. Um neue Arbeitspakete zu
erhalten und fertige Arbeit zurück geben zu
können, verbindet sich jeder RPi per WLAN mit
einem Access-Point, welcher die
Internetverbindung zum BOINC-Server herstellt.
Die BOINC-Berechnungen nehmen ~ 99 % der
verfügbaren Rechenleistung je Core und 50% des
Arbeitsspeichers in Anspruch. Ein Arbeitspaket
belegt rund 30 Stunden CPU-Zeit auf einem Core.
Auch ohne Internetverbindung stehen genügend
Arbeitspakete für eine Woche zur Verfügung.
Das PiXtend-System übernimmt die Steuerung,
Überwachung und Koordination des
Gesamtsystems. Es ist ebenfalls von einem
Raspberry Pi angetrieben. Dieser kommuniziert per
WLAN und dem Modbus TCP-Potokoll mit jedem der
12 RPis. Das Modbus-Protokoll auf PiXtend (Master)
ist in CODESYS bereits integriert, die 12 Slaves
führen zyklisch ein Python Script (pymodbus
Library) aus. Über das Script werden auch die drei
Status-LEDs je Slave angesteuert.
Via Modbus werden zyklisch Statusinformationen
abgerufen und es können Befehle erteilt werden.
Status:
CPU-Auslastung je Core, Belegung des
Arbeitsspeichers, CPU-Temperatur, Fortschritt
und Berechnungsdauer der BOINC-Aufgaben
Befehle:
BOINC-Berechnungen starten & stoppen,
Neustart, Herunterfahren, Status-LEDs on/off
Auf die Bedienoberfläche kann direkt an der
PiXtend-Steuerung per Monitor und Maus oder von
jedem internetfähigen Gerät mit Webbrowser
(Tablet, PC, Smartphone) zugegriffen werden, auch
von Unterwegs per Internet.
Temperaturen und Belüftungsstatus werden in
Diagrammen visualisiert und in eine SQL-
Datenbank abgelegt. Die Daten können einfach mit
anderen Anwendungen weiterverarbeitet werden.
Ü
Ü
„Raspberry Pi“ und das zugehörige Logo sind geschützte Markenzeichen der Raspberry Pi Foundation - www.raspberrypi.org ; „CODESYS“ und das zugehörige Logo sind geschützte Markenzeichen der Firma 3S-
Smart Software GmbH - www.codesys.com ; „Modbus“ und das zugehörige Logo sind geschützte Markenzeichen der Modbus Organization - www.modbus.org ; „Intel“, „Xeon“ und „Core i“ sind geschützte
Markenzeichen der Intel Cooperation - www.intel.com ; „BOINC“, „SETI@Home“ und die zugehörigen Logos sind geschützte Markenzeichen der University of California - universityofcalifornia.edu
®PiXtend®PiXtend
Anwendungsbeispiel
„Supercomputer“
„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“
Einsatzmöglichkeiten
Wir haben den Supercomputer gebaut um Ihnen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten unseres
PiXtend-Steuergeräts im IT-Bereich zu verdeutlichen. Der Versuchsaufbau kann aber noch
wesentlich mehr sein... Denn er verbindet unterschiedlichste Ingenieurs- & Informatik-Disziplinen:
Elektro- & Schaltschranktechnik
Automatisierungstechnik: SPS, Regelung
Linux Cluster, Grid und Cloud Computing, SQL-Datenbanken
Medieninformatik - Gestaltung von Web-Interfaces
Industrielle Protokolle - Modbus TCP über WLAN
Python- & Bash-Scripting, Programmierung nach EN 61131-3 (AWL, KOP, ST, FUP, CFC)
Bedienung per Tablet und Smartphone, App-Entwicklung
Dadurch eignet sich der Supercomputer optimal für den Einsatz im Bildungsbereich und kann die
Basis für verschiedenste Laborversuche in Hochschulen und Berufschulen sein.
Ü
Ü
Ü
Ü
Ü
Ü
Ü
Funktionen & Visualisierung
Besonderen Wert wurde auf praktische Software-Funktionen
und eine klar strukturierte Bedienoberfläche gelegt.
Verschiedene Tabs der Web-Oberfläche (CODESYS-Webvisu)
stellen übersichtlich die Zustände & Messwerte des
Systems dar.
Eine Übersichtsseite ermöglicht alle relevanten
Systemzustände auf einen Blick zu überwachen. Dies sind
unter Anderem folgende:
Rechen- & Elektrische Leistungen
Effizienz - Rechenleistung pro Watt
Temperaturen & Luftfeuchtigkeit
Zustand von Beleuchtung & Belüftung
Im Tab „PiXtend“ lassen sich Einstellungen vornehmen,
Werte überwachen und zwischen den beiden
Betriebszuständen „Manuell“ und „Automatik“ umschalten.
Die in 4er Clustern organiserten Rechner lassen sich bei
Bedarf herunterfahren oder erneut starten.
Die Steuerung von Zu- und Abluft lässt sich stufenlos regeln.
Die „Supercomputer“ und „BOINC“ Tabs zeigen übersichtlich
die CPU-Auslastungen, Core-Temperaturen und
Berechnungsfortschritte aller 12 Raspberry Pis des
Rechenzentrums an.
Ü
Ü
Ü
Ü
Qube Solutions UG (haftungsbeschränkt)Arbachtalstr. 6D-72800 Eningen, GERMANY
Tel.: +49 (0)7121 8806920Web: http://www.pixtend.de - [email protected]
Starten Sie Ihr Projekt ®
jetzt mit PiXtend ...
www.pixtend.de