Diseño e implementacion de un cluster de computo de alto rendimiento

Diseño e implementación de un clúster de cómputo de alto rendimiento

José de Jesús Rocha Quezada*, Salvador Botello Rionda*,
José Miguel Vargas Félix* e Iván Agustín Munguía Torres*.
Correos electrónicos: chuche@cimat.mx, botello@cimat.mx,
miguelvargas@cimat.mx, munguia@cimat.mx.

*Centro de Investigación en Matemáticas, A.C.
Callejón Jalisco s/n. Valenciana, Guanajuato, Gto. C.P 36240Teléfono: (473) 732-7155, Fax (473) 732-5749

Diseño e implementación de un clúster de cómputo de alto rendimiento

Resumen

Este trabajo presenta el diseño, construcción y configuración de un sistema de computadoras agrupadas en un arreglo tipo clúster, el cual tiene un bajo costo y es comúnmente utilizado para resolver problemas que demandan grandes capacidades de cómputo, tanto dememoria como de procesamiento. En general estas tecnologías son costosas, pero en este trabajo se presenta una alternativa económica. Estos problemas no pueden ser resueltos en computadoras aisladas debido a la gran cantidad de datos que involucran y a la cantidad de operaciones numéricas que se requieren realizar. En este trabajo se muestran resultados en aplicaciones numéricas que tienen granutilidad práctica (Mecánica de Solidos, Mecánica de Fluidos, Problemas Térmicos, etc.), en donde se refleja un buen desempeño y un adecuado uso de los recursos computacionales. El clúster mencionado en este trabajo ofrece una excelente capacidad de cómputo a un bajo costo.

Palabras clave
Clúster, física computacional, programación en paralelo, OpenMP, MPI, Mecánica se Sólidos, Problemas Térmicos.Abstract
This paper presents the design, construction and configuration of a computer system in a cluster type setup, which has a low cost and is commonly used to solve problems that require large computing capabilities, both memory storage and processing. In general, these technologies are expensive, but this paper presents a low-cost alternative.

These problems cannot be solved on isolatedcomputers due to the large amount of data involved and the amount of numerical operations required to perform. In this paper we show numerical results in applications that have great practical utility (Solid Mechanics, Fluid Mechanics, Thermal Problems, etc…), which reflect good performance and proper use of computational resources. The cluster mentioned in this paper provides excellent computingpower at low cost.

Keywords
Cluster, computational physics, parallel programming, OpenMP, MPI, Solids Mechanics, Heat diffusion.

1. Introducción
Problemas actuales de modelación numérica requieren gran capacidad de cómputo. Si bien las computadoras personales son cada vez más rápidas y eficientes, para obtener un buen resultado en este tipo de aplicaciones se requiere mucha mayor capacidadde procesamiento y memoria. Para poder resolver problemas de modelación numérica de por ejemplo yacimientos petroleros, mecánica de fluidos, mecánica de sólidos, solución de ecuaciones diferenciales parciales, entre otros, es necesario disponer de la capacidad de cómputo ofrecida por un clúster de computadoras. Este trabajo presenta el diseño, construcción y configuración de un sistema decomputadoras agrupadas en una distribución tipo clúster, así como resultados de su aplicación a problemas reales.

1.1. Definición y estructura de un clúster
Un clúster de computadoras se puede definir como un conjunto o conglomerado de computadoras, construidas con componentes de hardware comunes, que se comportan como una única computadora (Figura 1).


Un clúster es entonces un conjunto decomputadoras, llamadas nodos, que están conectados entre sí a través de una red de cómputo de alta velocidad. Un ejemplo de este tipo de clusters son los clúster tipo Beowulf [8] como el que se muestra en la Figura 1.

Cada nodo del clúster cuenta con varios procesadores y bancos de memoria, los cuales están interconectados ente sí. Los procesadores modernos son multi-núcleo (o multi-core),...