如今，“云計算”已經(jīng)成為IT業(yè)界的熱門詞匯，無論是專業(yè)人士還是廠商，都希望數(shù)據(jù)中心能發(fā)生翻天地覆的變化，很多人高性能計算（HPC）用戶也在評估HPC負載是否適合于部署在云環(huán)境中。導(dǎo)致這種爭論的原因之一是人們不清楚“究竟什么是云計算？”以及“什么樣的應(yīng)用算得上是HPC應(yīng)用？

HPC應(yīng)用是無法“一刀切”的，我們很難簡單地把某類應(yīng)用歸為HPC應(yīng)用， 2000年初，計算機應(yīng)用從集中控制的大型主機轉(zhuǎn)向分布式的計算集群就清楚地說明了這一事實。這種做法不僅將普通的商用硬件帶入了HPC領(lǐng)域，也給客戶提供了更多的選擇。 HPC用戶可以按照最低需求來構(gòu)建HPC，從而節(jié)省投資成本。你會發(fā)現(xiàn)，有些 HPC系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)較少，但每個處理器配備的內(nèi)存較大，帶寬較窄或節(jié)點之間的延時較長；而另一些 HPC系統(tǒng)則可能按照不同的參數(shù)要求來設(shè)計，所有這些都是針對應(yīng)用需求量身定做的。
然而，對大多數(shù)企業(yè)或IT部門來說，降低成本的壓力都在與日俱增，因此“按用量付費”的云計算模式也就應(yīng)運而生。問題的關(guān)鍵是，并非所有的計算類型都適合于云架構(gòu)。

Rackspace、亞馬遜、Savvis以及其他一些 IaaS提供商都采用不同的虛擬化技術(shù)來管理其底層的硬件資源，遺憾的是每家廠商采用的虛擬化技術(shù)是不同的，而且有時是保密的，比如AWS EC2。因此，對HPC應(yīng)用來說，究竟是采用虛擬機還是物理機就成為構(gòu)建HPC云之前需要特別討論的一個問題。

虛擬化問題

高性能計算（HPC）架構(gòu)師遲遲沒有采用虛擬化技術(shù)的主要原因有兩個：其一是人們通常認為的虛擬化會嚴重影響應(yīng)用程序的性能，虛擬化提升靈活性的優(yōu)點被其降低了應(yīng)用程序吞吐量的缺點所壓倒；其二是傳統(tǒng)的HPC基礎(chǔ)架構(gòu)的利用率已經(jīng)非常高了（通常為80%~95%），因此，通常推動企業(yè)采用虛擬化的動因（提高硬件利用率、整合服務(wù)器或提高許可證利用率）不足以抵消使用虛擬化資源運行工作負載帶來的復(fù)雜性和費用增加的缺點。

然而在很多情況下，HPC架構(gòu)師又愿意犧牲5%的應(yīng)用程序性能來獲得虛擬化帶來的靈活性和彈性。HPC用戶愿意這樣做的主要原因有以下幾個：

•安全性——虛擬機可以作為實例添加到虛擬局域網(wǎng)中，或者從虛擬局域網(wǎng)中刪除。一些HPC環(huán)境要求多組用戶之間，甚至用戶本身之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)和宿主相互隔離。傳統(tǒng)的虛擬局域網(wǎng)通常與物理服務(wù)器結(jié)合使用，結(jié)果造成了資源孤島，在變化的負載環(huán)境中，孤島將導(dǎo)致孤島內(nèi)資源利用率低下。虛擬機和虛擬局域網(wǎng)可以配合使用，把用戶彼此隔離開來，并將數(shù)據(jù)隔離起來，有權(quán)訪問的用戶才可以訪問。

•應(yīng)用程序堆?？刂?mdash;—很多應(yīng)用程序需要特定的操作系統(tǒng)版本、更新版、代碼庫和配置等。在混合應(yīng)用環(huán)境下，多個應(yīng)用共享同一物理硬件，這種情況下，就很難滿足所有應(yīng)用對特定堆棧的要求。采用虛擬化技術(shù)，這個難題就迎刃而解了，因為，在虛擬化環(huán)境下整個堆?？梢宰鳛閼?yīng)用程序的一部分來部署。

•充分利用高價值資產(chǎn)——在異構(gòu)的HPC系統(tǒng)中，最新（因而最快）的機器常常需求量最大。為了滿足這個需求，一些企業(yè)采用預(yù)留系統(tǒng)以盡量減小用戶之間的沖突。但遺憾的是，這種預(yù)留系統(tǒng)常常沒有得到充分的利用。相比之下，使用虛擬機處理計算作業(yè)時，大多數(shù)虛擬機管理程序內(nèi)部的遷移工具允許機會性工作負載使用高價值資產(chǎn)，甚至為一個不同的用戶打開了預(yù)留窗口后也可以使用。如果提出預(yù)留要求的用戶最終提交工作負載，要求處理負載，機會性工作負載隨后可以遷移到價值較低的資產(chǎn)，以便繼續(xù)處理，而不浪費任何處理器周期。

•處理執(zhí)行時間長的作業(yè)——幾種HPC應(yīng)用程序不提供檢查點重啟功能。然而，虛擬機技術(shù)可以獲取和檢查虛擬機的整個狀態(tài)，以便檢查以前無法檢查的應(yīng)用程序設(shè)置。如果作業(yè)運行時間足夠長，對于整個解決方案來說有一樣的平均無故障時間（MTBF），那么虛擬機內(nèi)部的檢查點工具可能非常吸引人。此外，如果服務(wù)器維護是經(jīng)常進行或具有可預(yù)測性，那么虛擬機內(nèi)部的檢查點遷移或暫停運行時間長的作業(yè)，可以防止計算時間流失，同時消除執(zhí)行常規(guī)服務(wù)器維護工作所面臨的任何障礙。

使用HPC云的商業(yè)理由

有幾個關(guān)鍵因素促使企業(yè)考慮實施云計算，這些因素可以幫助企業(yè)削減成本，為內(nèi)部用戶提供更好的服務(wù)。這些因素是：

•按使用量付費——客戶可以按照應(yīng)用程序的運行時間或者按使用存儲和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的時間支付費用。

•近乎無限的基礎(chǔ)架構(gòu)——幾乎可以實時享用基礎(chǔ)架構(gòu)；反過來，沒有工作負載時，基礎(chǔ)架構(gòu)可以縮回到近乎零資源。

•根據(jù)工作負載配置資源——可以根據(jù)工作負載，隨時分配操作系統(tǒng)或服務(wù)器的類型，大幅改進了資源配置方面的靈活性。

實施HPC云面臨的障礙

盡管云計算有諸多優(yōu)勢，但是在考慮云計算是否適合HPC環(huán)境時還有很多障礙需要克服。
•安全性和知識產(chǎn)權(quán)——云環(huán)境中的數(shù)據(jù)對商業(yè)企業(yè)來說常常是核心的知識產(chǎn)權(quán)。絕不能忽視這種可能性：商業(yè)競爭對手可能使用相同的共享計算資源。從法律的角度來看，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)泄密，知識產(chǎn)權(quán)保護和賠償條款為云計算使用者帶來的追索權(quán)很有限。

•軟件許可——大多數(shù)商業(yè)企業(yè)使用獨立軟件開發(fā)商（ISV）提供的第三方軟件來運行或管理HPC作業(yè)。這些應(yīng)用軟件在購買時都附有法律協(xié)議，明確了該應(yīng)用程序可以在何處運行，通常都規(guī)定該應(yīng)用程序只能在客戶的場地運行。

•數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移——除非企業(yè)完全采用云計算，棄用自己的數(shù)據(jù)中心，否則用于模擬的模和結(jié)果就必須在云計算提供商與客戶數(shù)據(jù)中心之間進行傳輸。然而這項工作很復(fù)雜，因為就傳輸大容量文件而言，互聯(lián)網(wǎng)帶寬很有限；而且對大多數(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）提供商來說，進出云環(huán)境傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都是按字節(jié)數(shù)計費的“收費服務(wù)”。

•定價模式——按使用量付費的模式常常對客戶有很大的吸引力，但如果長期使用公共云，其費用通常比在兩年內(nèi)自己擁有和維護硬件的成本貴兩三倍。公司應(yīng)認真確定在多長時間內(nèi)使用公共云比使用本地服務(wù)器更有優(yōu)勢。

面向HPC的云計算

HPC數(shù)據(jù)中心必須綜合考慮采用云計算的商業(yè)理由及其面臨的障礙，才能確定這種模式是否適合本企業(yè)以及哪種模式最適合自己。

實現(xiàn)HPC云需要幾款工具，包括虛擬機管理程序平臺、工作負載管理器和基礎(chǔ)架構(gòu)管理工具包。管理工具包應(yīng)該提供策略定義及執(zhí)行、配置管理、資源預(yù)留及報告等功能。虛擬機管理程序平臺應(yīng)該為云計算資源的虛擬部分提供良好的基礎(chǔ)。最后，工作負載管理器應(yīng)該提供作業(yè)管理功能。

對多數(shù)大型HPC環(huán)境來說，用戶需要考慮采用私有云還是混合云解決方案。在混合云環(huán)境中，可以在峰值需求期間使用外部公共云，這又叫“云爆發(fā)”（cloud bursting）；比較小的HPC環(huán)境可能應(yīng)該考慮公共云，使用的所有資源都在云端。不管使用哪一種模式的云，特別重要的是確?；A(chǔ)架構(gòu)包含可以同時充分利用物理資源和虛擬資源的管理層，因為HPC應(yīng)用程序仍主要放置在物理機器上。在理想情況下，該管理層應(yīng)該能夠把虛擬機管理程序環(huán)境和物理環(huán)境合并為一個動態(tài)共享的基礎(chǔ)架構(gòu)，既支持多種操作系統(tǒng)，又支持異構(gòu)環(huán)境。

混合云方案對HPC環(huán)境來說可能非常有優(yōu)勢，因為它可以提供完成作業(yè)所需要的額外計算能力。在下列情況尤其應(yīng)該考慮采用云爆發(fā)方案:
•預(yù)計作業(yè)在本地運行的等待時間過長時；
•如果作業(yè)在本地運行所需的累計運行時間過長時；
•當作業(yè)對進出云環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸要求不高時。

一旦確定了企業(yè)實施云計算的最佳方案，就可以采用多種方法來評估IaaS提供商，看看哪一家提供商最適合本企業(yè)的應(yīng)用和工作負載要求。評估時要考慮的因素包括性能、可靠性、創(chuàng)建實例的速度、價格等，此外，還應(yīng)該考慮每一家IaaS提供商的洽談和定價流程以及政策，還要對照服務(wù)級別協(xié)議（SLA）評估可靠性。考慮上述每一個因素對于企業(yè)選擇最適合其用途的提供商大有幫助。

作者介紹

Chris Porter 現(xiàn)任Platform公司HPC云產(chǎn)品經(jīng)理，他在HPC和云計算領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗，他曾經(jīng)撰寫過眾多有關(guān)HPC和云計算的白皮書。