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Sunway Taihu Light, der weltweit schnellste Supercomputer
Sunway Taihu Light, der weltweit schnellste Supercomputer (Bild: NRCPC)

Ohne Linux läuft kaum etwas

Auch die Systemsoftware steht vor großen Herausforderungen. Zurzeit ist Linux das dominierende Betriebssystem im Bereich des Hochleistungsrechnens. Linux ist ein hervorragendes Betriebssystem, aber auch äußerst komplex - eine Vorhersage des Laufzeitverhaltens ist kaum möglich. Ein unwichtiger Interrupt kann jede Ausführung verzögern oder unterbrechen. Das kann sich negativ auf das Laufzeitverhalten des Gesamtsystems auswirken. Beispielsweise kann ein einzelner Thread in einer kollektiven Operation, in der alle Threads gemeinsam etwas ausführen, durch ein verspätetes Eintreffen die anderen Threads blockieren.

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Die Verwendung leichtgewichtiger Betriebssysteme (englisch: Lightweight Kernel, LWK) kann dieses sogenannte 'OS Noise' reduzieren. Die Realisierung nur der minimal benötigten Softwarekomponenten vermeidet Seiteneffekte. Ein gutes Beispiel hierfür ist IBMs Compute Node Kernel (CNK): Er besteht aus rund 5.000 Zeilen C++-Code und skaliert sehr gut. Allerdings ist die Kompatibilität zu bestehenden Unix-Derivaten stark eingeschränkt, was wiederum einen höheren Aufwand für den Anwendungsentwickler bedeutet.

  • Überblick zu Hermit (Diagramm: Stefan Lankes)
  • Überblick zu L4-Linux (Diagramm: Stefan Lankes)
  • Überblick zu McKernel (Diagramm: Stefan Lankes)
  • Über 90 Prozent aller Supercomputer nutzen Linux. (Diagramm: Stefan Lankes)
  • Der Titan-Supercomputer (Foto: Oak Ridge National Laboratory)
  • 3D Xpoint ist Storage Class Memory. (Bild: Intel)
Über 90 Prozent aller Supercomputer nutzen Linux. (Diagramm: Stefan Lankes)

Abgespecktes Linux als Alternative

Ein abgespecktes Linux, befreit von unnötigen Features und nur ausgestattet mit relevanten Elementen für das Hochleistungsrechnen, wäre eine hervorragende Alternative. Ein Beispiel hierfür ist Zepto-OS. Allerdings ist dessen Pflege aufwendig, da Änderungen im Linux-Kernel rückzuführen sind. Zudem sind hiermit keine so guten Ergebnisse wie mit klassischen LWKs möglich.

Sogenannte Multi-Kernel sind eine Symbiose aus leichtgewichtigen (LWK) und schwergewichtigen Kernels (englisch: Fullweight Kernels, FWK) mit umfangreichen Programmierschnittstellen. Meistens wird hierbei Linux als FWK verwendet, der nur auf einzelnen Prozessorkernen läuft. Die anderen Kerne verwaltet das LWK. Typischerweise wird eine Linux-Anwendung auf die LWKs ausgelagert. Solange die Anwendungen im User-Space rechnen, profitieren sie vom LWK und können dort besser skalieren. Nur beim Aufruf eines Systemaufrufs muss Linux aushelfen und diese bearbeiten.

Unterschiede gibt es dabei zwischen den Vertretern der Multikernels: Bei mOS wird die Anwendung zwischen den einzelnen Betriebssysteminstanzen hin und her migriert, während bei Mckernel ein Proxy auf dem Linux-System existiert, der Anfragen zur Bearbeitung von Linux-Systemaufrufen entgegennimmt. Das japanische Forschungszentrum Riken entwickelt den Mckernel für seinen nächsten Supercomputer, während mOS (PDF) ein Forschungsprojekt von Intel ist.

Geringerer Overhead durch Unikernels

Unikernels brechen mit der klassischen Trennung von privilegierten und unprivilegierten Bereichen (user space vs. kernel space). Jeder Systemaufruf kann somit als Funktionsaufruf realisiert werden, was einen geringeren Overhead verspricht. Allerdings kann damit jede Anwendung direkt auf die Hardware zugreifen, was sicherheitstechnisch meist unerwünscht ist. Zum Einsatz kommen solche Kernels häufig im Bereich des Cloud Computings, wo sie innerhalb einer virtuellen Maschine laufen, die den Schutz des Systems garantiert.

Auch im Hochleistungsrechnen sind solche Kernel interessant, da die Anwendungen häufig in einem kontrollierten Umfeld laufen und Sicherheitsmechanismen auch um ein Cluster existieren. Der einzelne steht hier nicht im Fokus. Hermitcore stellt ein Forschungsprojekt in diesem Bereich dar und prüft die Einsatzfähigkeit eines solchen Systems. Dieser Ansatz gehört auch gleichzeitig zu den Multikernels, da Linux auf einem isolierten Prozessorkern läuft, um eine breitere Treiberunterstützung zu garantieren.

 An der Effizienz hapert es nochMcKernel für Supercomputer 

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Atalanttore 23. Okt 2016

Müssten Änderungen an Linux nicht zurückgeführt werden, wäre Linux jetzt da, wo Unix...

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McFly 21. Okt 2016

halten wir uns echt noch an diesem Schwachsinn auf? Das Kind ist doch schon längst in den...

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Quantium40 20. Okt 2016

Ich vermute ja eher, dass dabei auf verteiltes Rechnen gesetzt wird. Einmal pro Monat...

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Quantium40 20. Okt 2016

Richtig. Fast richtig. Moores Feststellung lautete "The complexity for minimum...

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Netzweltler 19. Okt 2016

http://www.hsafoundation.com/ Gibt's, aber eine dezidierte Ausrichtung auf Supercomputer...

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