HP představilo
The Machine.
No dobrá, ale jak se nás to týká?
V minulém čísle našeho časopisu Jan Kameníček představil The Machine jako nový koncept počítačů, který se v laboratořích HP postupně rodí a který je založen na nových nonvolatilních pamětech a dalších technologiích HP. Zvolna tak končí zhruba 6 desetiletí dlouhá etapa rozvoje počítačů, jak je známe dnes, protože limity této etapy jsou na dosah. I ten, kdo úsporně používá výrazu „změna paradigmatu“, se v souvislosti s The Machine asi nebude ostýchat tento termín užívat. Udělejme dnes ještě další krok v úvahách kolem této technologie.
Protože my v Čechách jsme například oproti Američanům možná o malinko zdrženlivější, než prohlásíme nad nějakou úžasnou novinkou, že jsme nadšeni, možná silněji než jiní si klademe tak jednoduché otázky jako „No a co?“, „Týká se mě to nějak vůbec?“, „Týká se to mé firmy nebo mého businessu?“. Kdyby totiž odpověď zněla ne, pak to vezmeme na vědomí jako zajímavost, ale jinak všechno budeme dělat jako doposud. To by v případě The Machine byla škoda. A tak zde „nadhazuji“ tuto otázku: Memristory, nonvolatilní paměti a The Machine – no a co?
HP Solutions #7
1/5
Změna není kosmetická Poté, co HP před časem ohlásil The Machine a co uvedl plán použití nonvolatilní paměťové technologie Memristorů, jsme zaznamenali v médiích diskusi o tom, která z blížících se nových nonvolatilních paměťových technologií bude komerčně k dispozici nejdříve. Vedle memristorů se nejvíce diskutuje o technologii pamětí tzv. Phase Change. Přestože na časové ose bude dost možná Phase Change dříve, na koncept The Machine to nemá vliv. Ambicí The Machine totiž není všechno nechat stejné, a pouze jeden typ paměti nahradit jiným typem a soutěžit, který to bude. Ambice The Machine je zásadně vyšší. Ambicí je zařídit, aby paměť byla „středem světa“. Jak je to nyní? Stejným přirovnáním bychom asi řekli, že nyní je procesor „středem světa“. Architektura The Machine je založena na tzv. Memory Driven Computingu (MDC). To je koncept nehierarchické nonvolatilní paměti jako relativně samostatného středobodu stroje. Když nebudeme na The Machine pohlížet šablonami dnešních počítačů, snadněji si představíme, že např. paměť bude bootovat samostatně, a že po jejím uvedení do provozního stavu se k ní budou připojovat (a od ní odpojovat) samostatně bootované procesory (a při odpojování nedojde ke ztrátě dat). Je pravděpodobné, že na naší cestě k The Machine využijeme jak nynějších DRAM, tak možná Phase Change, a jistě Memristory, které se svými technickými parametry jeví jako optimání. DRAM použijeme pro funkční prototypy The Machine pro účely přípravy SW vybavení. A příslušné skutečné nonvolatilní technologie začneme nasazovat dle jejich dostupnosti. Memristorové technologie by měly finálně poskytnout koncept The Machine ve své plné šíři. V minulém čísle jsme ukázali, že koncepčním problémem a limitem současných počítačů je přístup k datům kvůli hierarchické paměti. Data máme převážně na discích nebo flash pamětech, ale procesor umí zacházet jen s daty v RAM nebo v cache. Nám lidem se možná na první pohled ne snadno porovnávají mili, mikro a nanosekundy. Tak si to přibližme v nám přístupnějších jednotkách. Pokud by takt procesoru trval 1 sekundu, tak data z cache (technologie SRAM) by přišla k procesoru za 5 sekund a data z hlavní paměti (DRAM) by přišla za 2 minuty a data z flashe za 1 den a data z disku za 2 měsíce.
HP Solutions #7
2/5
Vidíme, že případné vylepšení v jedné vrstvě je fajn, ale v konceptu The Machine jde o to, že zmizí hierarchie paměti a že tedy procesor si bude umět sáhnout na data kdekoliv v přímo adresovatelném prostoru. The Machine tento prostor definuje až na maximálně 160 petabajtů (random access, nonvolatilních). Takže přidržíme-li se našeho příkladu, koncept the Machine zajišťuje, že jakákoliv data se dostanou k procesoru rychlostí řádově jako v případě dnešní DRAM a že zmizí pomalé přístupy dalších vrstev, které přirovnáváme ke dnům, měsícům nebo rokům. A proto potřebujeme do The Machine také optická propojení i na úrovni čipů, neboť toky dat budou zásadně intenzivnější. A proto také předpokládáme specializované procesory SoC, protože namísto nyní převládající režie datových přesunů budou procesory v The Machine vykonávat téměř výhradně užitečnou práci pohánění aplikace – proto dává větší smysl než dosud, aby se na konkrétní typ úlohy hodil konkrétní specializovaný procesor (System On Chip).
Ach to jméno Proč HP nepojmenoval The Machine nějak určitěji? To proto, že je to obecný pojem. To je, jako bychom třeba řekli slovo elektromotor. Dokud zároveň neřekneme, s čím má ten motor točit, nelze říci o motoru víc. A jaké zařízení The Machine vlastně představuje? The Machine může být například „tím vnitřkem“ našeho mobilního telefonu. Až budeme obklopeni „Věcmi na internetu“ (Internet of Things), tak The Machine bude mozkem této Věci a bude uvnitř té Věci. Je jedno, zda ta Věc bude sloužit v našich domácnostech, nebo to bude Věc sloužící pro životní prostředí nebo pro bezpečnost staveb nebo pro jiné národní zájmy či zájmy civilizace. The Machine bude například v kamerách. The Machine bude v dronech, ať je jejich mise pozitivní nebo kontraverzní. Bude samozřejmě v počítačích, jak tomu slovu rozumíme dnes, ať mluvíme o jednotlivých počítačích nebo počítačových sestavách nebo celých datacentrech. The Machine bude téměř všude: ve vysílacích buňkách komunikačních operátorů, na palubách letadel, v automobilech, v lékařství – třeba včetně kardiostimulátorů v těle pacientů atd.
A jaké zařízení The Machine vlastně představuje?
Jak The Machine změní (IT) svět, ve kterém žijeme? V této oblasti nás může napadnout více pohledů:
Servery budou mít část pamětí nonvolatilních a tato část bude postupně expandovat.
HP Solutions #7
Postupnost. Nečekáme skokovou změnu technologií jednoho klíčového dne, na který se všichni budeme těšit. Místo toho budou technologie nasazovány postupně, jak budou víc a víc k dispozici. Předpokládejme, že budou vznikat hybridní systémy – u počítačů, jak je známe dnes, začnou být používány prvky z The Machine. Servery budou mít část pamětí nonvolatilních a tato část bude postupně expandovat. Začnou být nabízena optická propojení mezi částmi systémů, kde je dnes zatím výhradně užíván elektrický signál. Začnou existovat čipové sestavy propojené opticky. A po čase bude The Machine realizován již ve svém úplném konceptu.
3/5
Pokud zákazníci budou užívat technologie HP, začnou mít přístup k technologiím pro The Machine.
The Machine skokově nabídne více datové a výpočetní kapacity nad nehierarchickou pamětí.
The Machine znamená umožnění konceptu Data Centric Computing. Kde data vznikají, tam se ponechávají a tam se i zpracovávají.
Zákazníci již dnes chtějí mít užitek z The Machine. Takový požadavek je oprávněný a je i realistický! HP vsadila na konvergovanou (česky bychom asi lépe řekli modulární) infrastrukturu. Systémy HP se skládají z pokud možno standardizovaných částí. Tak se HP daří vyrábět ve velkých sériích a s nízkými náklady. A zároveň se dají inovace dělat výměnou jednoho elementu, a nikoliv celého systému. Nepochybně cesta k The Machine vede postupně přes nabízené modulární systémy. Pokud zákazníci budou užívat technologie HP, začnou mít průběžně přístup k postupně se uvolňujícím technologiím pro The Machine. Například již dnes pracujeme se specializovanými, a nikoliv univerzálními procesory v systémech Moonshot; servery se osazují procesorovými cartrige podle účelu užití. Už dnes využíváme algoritmizace pro přístup k datům a pro datový management na AllFlash polích typu 3PAR – tyto algoritmy se dále budou rozpracovávat pro memristorové paměti. Lze očekávat také další inovace v oblasti optoniky. Jakkoliv se někomu může zdát část sortimentu HP komoditní, postupujeme cestou k The Machine, a naši konkurenti nikoliv. Děláme produkty dnes tak, aby se hodily do konceptu zítřka. Svět IT se zjednoduší. Dnes si v IT zadáváme složité úkoly někdy proto, abychom obešli současná omezení – například máme omezené a drahé výpočetní zdroje (to je jeden z důvodů centralizace a virtualizace), máme omezenou datovou kapacitu a I/O průchodnost (možná ani kapacitně nezvládáme všechny úlohy, které by byly žádoucí, proto někde uplatňujeme koncept in-memory computingu). Až se ukáže, že The Machine skokově nabídne více datové a výpočetní kapacity nad nehierarchickou pamětí, možná, že pro některé systémy bude výhodné volit jejich relativní autonomnost. Velká data budou velká, ale neznamená to, že nám explodují datová centra. The Machine znamená umožnění konceptu Data Centric Computing. Kde data vznikají, tam se ponechávají a tam se i zpracovávají. V některých případech čip procesoru a čip nonvolatilních pamětí může být týž, v jiných je opticky propojen. Představme si třeba tak jednoduchý příklad jako je kamera, která má paměťovou kapacitu na dlouhou dobu svého života nebo na celý svůj život. Snímá scénu, ukládá si data k sobě. Indexuje je. Sdílí tento index. Celý objem dat ovšem nikam nepředává (není-li k tomu jiný důvod). Možná občas taková kamera dostane dotaz, například zda nějaký člověk, jehož obrázek je znám, prošel po scéně. Kamera odpoví. Pozorovatelé světa dat říkají, že polovina ze 40 ZB dat, která mají být v roce 2020 na světě nashromážděna, budou pocházet z kamer. Dnešní datová centra by takový objem dat zvládla jedině tak, že by svou spotřebou elektřiny zlikvidovala energetickou soustavu Země. Teď se zdá, že máme řešení.
Jak nám The Machine pomůže s bolestmi IT, které dnes vnímáme? Asi mnozí přijímáme jako fakt, že častou bolestí podnikových IT je, že někdy nestíhají naplňovat dynamické potřeby businessu. Nikoliv pro malou inženýrskou schopnost IT, ale pro po léta nastavené faktory jako jsou: architektura IT, nastavené SLA, komplexita IT, rozpočtová omezení, nutnost manuálních činností při změnách v IT, bezpečnost a compliance, klasický aplikační životní a vývojový cyklus atd. Proti tomu existuje konkrétní zkušenost z osobního života a užívání IT, kde téměř vše je k dispozici hned, zpravidla z cloudu a většinou zdarma. Lze zpochybnit porovnatelnost obojího, ale to nemá vliv na úsilí podnikové IT měnit. HP Solutions #7
4/5
IT jako organizační jednotky podniků se v dalších letech budou měnit. Z provozovatelů systémů, jejichž funkční specifikaci provedou business útvary včas a na delší dobu, na sestavovatele aplikací, které dávají pro business užitnou hodnotu a podniku konkurenční výhodu. Zajišťování funkčnosti technologií se pak aplikacemi provádí automaticky. IT útvary tedy budou spíš aplikačně-analytickými než pro udržení provozu. Řešením je s rozumem se zbavovat komplexity IT automatizací a moderním návrhem cloud native aplikací, kde to dává smysl, ale zároveň při ponechání všeho, kde změna by byla kontraproduktivní. Řešením tedy může být některé části IT nechat v klasickém režimu (zpravidla OLTP kritické systémy) a tyto mít konsolidované a virtualizované. Jiné části IT poté, co jsou virtualizovány a jednotně spravovány, automatizovat a poslední části designovat nebo redesignovat jako Cloud native aplikace. Přitom je třeba vyvazovat se z břemena vysokých poplatků za komerční databázové, virtualizační a další nástroje.
Řešením je s rozumem se zbavovat komplexity IT automatizací a moderním návrhem cloud native aplikací, kde to dává smysl, ale zároveň při ponechání všeho, kde změna by byla kontraproduktivní.
K tomu poslouží právě produktové linie infrastrukturních produktů HP směřujících ke konceptu The Machine spolu se SW prostředím – OneView pro management a Helion pro automatizaci. Orientace na Openstack je společná pro automatizační prostředky HP stejně jako pro The Machine.
Je zaděláno na obchodní úspěch The Machine. Má-li být The Machine umístěn „všude“, znamená to, že je žádoucí co nejvíce usnadnit jeho používání a tvorbu aplikací. Proto nový operační systém, který vzniká ve spolupráci s univerzitami, sází na pojetí Opensource, a také proto bude pro The Machine alternativně k dispozici Linux a také Android. Kromě toho již dnes dovedeme aplikačním developerům dát The Machine plně k dispozici! Nikoliv jako fyzický stroj – ten ještě k dispozici není. Ale jako emulátor, který je provozován na stroji SuperdomeX, našem nedávno na trh uvedeném mission kritickém x86 linuxovém škálovatelném serveru.
Koncept The Machine přidávat nody nepotřebuje, jen se volí odpovídající memristorová paměť.
Již jsou k dispozici některé výsledky porovnání typických zátěží. Vzpomeňme na příklad kamery výše v tomto textu. Porovnání memristorové simulace The Machine oproti klasickému zpracování s pevnými disky a in-memory zpracováním uvádí tabulka. Zadáním bylo přibližné vyhledávání obrázku (osoby na obrázku) mezi velkým počtem obrázků - Extreme Similarity Search. Doplňme, že simulovány byly memristory verze 1.0, které jsou 8x pomalejší proti DRAM – odpovídajícím způsobem byl simulátor proto zpomalen. Jak je to možné, že simulátor je navzdory tomu o tolik rychlejší než in-memory? Odpověď spočívá v algoritmizaci kolem memristorových struktur, ve kterých si můžeme dovolit levné indexy. To pro in-memory není únosné. Extreme Similarity Search
HP Solutions #7
20 nodů s rotačními disky
In-memory
Simulátor The Machine
Vyhledávání v množině obrázků:
4 miliony
80 milionů
80 milionů
Čas nalezení:
3 minuty
3 sekundy
0,12 sekundy
5/5
Toto je běžná úloha vyhledávání ve velkém objemu dat, když data jsou podobná. Takové příklady hodné The Machine mohou být otisky prstů, genom DNA a jiné. Uvádí se, že lidská DNA má 3 GB a je nás na světě asi 7 miliard. To by dávalo 20 exabajtů dat, kdybychom měli plný vzorek. To je asi extrémní případ. Co ale vždy potřebujeme brát v úvahu, je tzv. Decision time – zpracování musí být uděláno do nějaké doby, jinak ztratí nebo omezí svou užitečnost. Zatímco jiné koncepty znamenají zásadní technickou a cenovou komplikaci k dosažení cíle (např. přidávání nodů), koncept The Machine přidávat nody nepotřebuje, jen se volí odpovídající memristorová paměť.
„Quo Vadis, HP?“ Šéf laboratoří HP říká, že 32 prostředků na vývoj a rozvoj v HP v daném směru jde do projektu The Machine. Podle toho, co o tom již víme, se to jeví jako dobrá investice. Buďme u toho.
Ve zkratce: Jak funguje memristor Memristor je iontová paměť. Vpravo je fotografie mikroelektronické struktury memristoru. Vidíme, že v tomto příkladě jeden vodič napříč kříží mnoho jiných paralelně vedených vodičů. Na každém takovémto křížení vzniká jedna memristorová buňka.
Elektroda
Elektroda
Vodiče slouží jako elektrody. V místě křížení však není dotyk vodičů (elektrod), ale je mezi nimi sendvičová struktura dvou vrstev polovodičového materiálu, jak ukazuje obrázek vlevo. Jedna vrstva polovodiče je čistá (a je proto elektricky nevodivá – nejsou v ní nosiče el. proudu) a druhá vrstva je tzv. dopovaná, tedy s příměsí. Protože Dopovaný polovodič Čistý polovodič příměs způsobuje přítomnost nosičů el. proudu, je tato vrstva částečně elektricky vodivá (nosiče proudu jsou znázorněny modrými kolečky). Nosič elektrického proudu je ve skutečnosti nadbytečný nebo scházející elektron atomu. Takový atom se nazývá iont. Elektrický impulz přivedený na elektrody vyvolá elektrické pole, a to vyvolá pohyb nosičů proudu (tzv. drift).
Dopovaný polovodič
Čistý polovodič
Elektroda
Elektroda
Jedna polarita impulzu rozprostře nosiče proudu po celém objemu struktury, a memristor se tak stane elektricky vodivým, jak vidíme na dalším obrázku vlevo.
HP Solutions #7
Elektroda
Elektroda
A naopak opačná polarita impulzu shrne všechny nosiče elektrického proudu k samému okraji a memristor se stane nevodivým, jak vidíme na posledním obrázku. Dokud nepřijde nový impulz, setrvává memristor v předchozím stavu – je zde paměťový efekt. Díky nelinearitě materiálu je „zapomínání“ memristoru velmi pomalé (řádově Dopovaný polovodič Čistý polovodič léta), to zapříčiňuje mimořádně slabá difuze v materiálu.
6/5
Jak je na tom HP s přípravou memristorů? Na obrázku ukazuje šéf laboratoří HP Martin Fink v srpnu 2014 vzorek tzv. polovodičové oplatky memristorových struktur. Standardní postup výroby polovodičů vždy probíhá tak, že monokrystal polovodiče se nařeže na tzv. oplatky a složitým postupem výroby vznikají čipy po celé ploše oplatky. Ta se nakonec naláme, čímž vzniknou jednotlivé čipy k zapouzdření.
Vizitka autora
Tomáš Kubát Je v Hewlett-Packard (HP) ředitelem se zodpovědností za divize Servers, Storage a Presales. Nabídku pracovat pro HP přijal v roce 2010 poté, co předtím pracoval v Siemens IT Systems and Solutions, kde působil od roku 2008 v roli ředitele divize Professional Services. Společnost HP již ale dobře zná i z minulosti,
HP Solutions #7
protože před nástupem do Siemensu pracoval v HP 14 let na různých pozicích v oblasti prodeje či realizace dodávek konzultačních a projektových služeb, vedl rovněž obchodní jednotku zabývající se dodávkami projektových a konzultačních služeb do finančního segmentu. Odborná veřejnost se s ním setkává také v roli moderátora na akcích HP.
Tomáš Kubát je elektroinženýr a vzdělání si později doplnil i v programu MBA. Je ženatý a má dceru. Ve volném čase v zimním období rád lyžuje, po skončení lyžařské sezóny si s potěšením užívá pobyt v šumavské přírodě. E-mail:
[email protected] LinkedIn: https://cz.linkedin.com/in/ kubattomas
7/5
