4.4 Sistemas de memoria distribuida. Multicomputadoras Clusters.

Los sistemas de memoria distribuida o multicomputadores pueden ser de dos tipos básicos. El primer de ellos consta de un único computador con múltiples CPUs comunicadas por un bus de datos mientras que en el segundo se utilizan múltiples computadores, cada uno con su propio procesador, enlazados por una red de interconexión más o menos rápida.

Sobre los sistemas de multicomputadores de memoria distribuida, se simula memorias compartidas. Se usan los mecanismos de comunicación y sincronización de sistemas multiprocesadores.

Un clúster es un tipo de arquitectura paralela distribuida que consiste de un conjunto de computadores independientes interconectados operando de forma conjunta como único recurso computacional sin embargo, cada computador puede utilizarse de forma independiente o separada.

En esta arquitectura, el computador paralelo es esencialmente una colección de procesadores secuenciales, cada uno con su propia memoria local, que pueden trabajar conjuntamente.

• Cada nodo tiene rápido acceso a su propia memoria y acceso a la memoria de otros nodos mediante una red de comunicaciones, habitualmente una red de comunicaciones de alta velocidad.
• Los datos son intercambiados entre los nodos como mensajes a través de la red.
• Una red de ordenadores, especialmente si disponen de una interconexión de alta velocidad, puede ser vista como un multicomputador de memoria distribuida y como tal ser utilizada para resolver problemas mediante computación paralela.

4.4.1 Redes De Interconexión Estática

Las redes estáticas emplean enlaces directos fijos entre los nodos. Estos enlaces, una vez fabricado el sistema son difíciles de cambiar, por lo que la escalabilidad de estas topologías es baja. Las redes estáticas pueden utilizarse con eficiencia en los sistemas en que pueden predecirse el tipo de tráfico de comunicaciones entre sus procesadores.

Clases de redes de interconexión:

• Formación lineal: Se trata de una red unidimensional en que los nodos se conectan cada uno con el siguiente medianteN-1 enlaces formando una línea.
• Mallas y toros: Esta red de interconexión es muy utilizada en la práctica. Las redes en toro son mallas en que sus filas y columnas tienen conexiones en anillo, esto contribuye a disminuir su diámetro. Esta pequeña modificación permite convertir a las mallas en estructuras simétricas y además reduce su diámetro a la mitad.

4.4.2 Clúster

Un clúster es un grupo de ordenadores débilmente acoplados que trabajan en estrecha colaboración, de modo que en algunos aspectos pueden considerarse como un solo equipo. Los clústeres se componen de varias máquinas independientes conectadas por una red. Mientras que las máquinas de un clúster no tienen que ser simétricas, de no serlo, el balance de carga es más difícil de lograr. 

El tipo más común de clúster es el cluster Beowulf, que es un clúster implementado con múltiples ordenadores comerciales idénticos conectados a una red de área local TCP/IPEthernet. La tecnología Beowulf fue desarrollada originalmente por Thomas Sterling y Donald Becker. La gran mayoría de los superordenadores TOP500 son clústeres. Se aplica a los conjuntos o conglomerados de computadoras construidos mediante la utilización de hardwares comunes y que se compartan como si fuesen una única computadora.

Los clúster son usualmente empleados para mejorar el rendimiento y la disponibilidad por encima de la que es provista por un solo computador típicamente siendo más económico que computadores individuales de rapidez y disponibilidad comparables.De un clúster se espera que presente combinaciones de los siguientes servicios:

• Alto rendimiento
• Alta disponibilidad
• Balance de carga
• Escalabilidad

La construcción de los ordenadores del clúster es más fácil y económica debido a su flexibilidad: pueden tener toda la misma configuración de hardware y sistema operativo diferente rendimiento pero con arquitectura y sistemas operativos similares o tener diferente hardware y sistema operativo lo que hace más fácil y económica su construcción. Para que un clúster funcione como tal no basta solo con conectar entre si los ordenadores, sino que es necesario proveer un sistema de manejo del clúster, el cual se encargue de interactuar con el usuario y los procesos que ocurren en él para optimizar el funcionamiento.

La tecnología clúster permite a las organizaciones incrementar su capacidad de procesamiento usando tecnología estándar tanto en componentes de hardware como de software que pueden adquirirse a un costo relativamente bajo.

4.4.3 Programación De Clúster

Estos clúster están diseñados y optimizados para correr programas paralelos. En este caso, los programas tienen que ser hechos específicamente para funcionar en forma paralela. Típicamente estos programas son modelos que requieren realizar gran cantidad de cálculos numéricos. La ventaja de programarlos de esta manera y correrlos en un clúster es que se reduce drásticamente los tiempos de proceso. En el caso de modelos meteorológicos usados para predecir el tiempo es obvia la necesidad de correrlos en tiempo mínimo. Cuando se programa un modelo en una plataforma multiprocesadores es necesario usar esquemas de programación paralela. Las bibliotecas son las que permiten paralelizacion de tareas. En el caso de los clúster SCALI, portar programas hechos con bibliotecas MPI es directo gracias al uso de biblioteca SCAMPI

4.4.4 Consideraciones Sobre Rendimiento De Los Clúster

Para diseñar, implementar, probar y mantener un clúster se requiere un entendimiento básico pero claro de hardware de computadoras, de redes de computadoras y de sistemas operativos y la habilidad para investigar algunos tópicos especializados, como dispositivos de interconexión de Alta velocidad, tal vez reintroducirse a lenguajes de programación como FORTRAN y librerías para el desarrollo de aplicaciones como MPI.

Una vez escogido un sistema operativo, dígase Linux, se requiere algo de experiencia en la administración de sistemas Linux y en la forma de realizar conexiones de red. De manera lógica, cada nodo delx clúster tiene una parte de hardware y otra de software. El hardware está compuesto por procesadores, memoria, interfaz de red y discos duros entre otros.