Hầu hết các siêu máy tính đều có CPU được kết nối với nhau, với một nút CPU chính chia nhỏ một tác vụ xử lý lớn thành các tác vụ phụ. Các tác vụ phụ này sau đó được giao cho các CPU được kết nối với nhau, cùng nhau làm việc để hoàn thành tác vụ trong thời gian ngắn hơn nhiều.

Vậy hãy thiết kế siêu máy tính của riêng chúng ta, đây sẽ là một hệ thống cơ bản mà bạn có thể kết nối nhiều nút tùy ý để đáp ứng nhu cầu tính toán và xử lý của mình. Chúng ta sẽ lấy các máy tính bảng đơn và kết nối chúng lại với nhau và biến một trong số chúng thành nút chính. Nút chính sẽ phân phối công việc và điều khiển tất cả các máy tính khác.

Các thành phần cần thiết cho dự án này được liệt kê trong Danh sách vật liệu. Một nguyên mẫu được hiển thị trong Hình 1.

Hình 1: Siêu máy tính có hệ thống làm mát.

Mỗi nút của cụm siêu máy tính của chúng tôi sẽ cần các thành phần được liệt kê trong danh sách vật liệu. Để xây dựng một cụm siêu máy tính với 100 RPI, bạn sẽ cần 100 thành phần trên.

Thiết kế phần cứng

Bạn có thể thiết kế một hệ thống gắn giá đỡ đơn giản hoặc thiết kế các khối nút riêng lẻ và kết nối chúng để tạo thành một cụm lớn cho mục đích sử dụng cá nhân. Chúng ta hãy xem cách bạn có thể xây dựng một cụm siêu máy tính dựa trên khối, trong đó mỗi khối chứa hai CPU với hệ thống quản lý nguồn và làm mát được cấu hình sẵn riêng biệt. Thiết kế này mang đến cho bạn sự linh hoạt để thêm nhiều khối cụm riêng lẻ khi cần. Bạn có thể đạt được công suất xử lý lên đến một terabyte bằng cách thêm đủ số lượng các khối nút đơn này.

Hãy thiết kế một vỏ máy một khối có thể chứa hai máy tính bảng đơn RPi và một bộ làm mát nước hình trụ. Khi thiết kế vỏ máy, hãy chừa hai khoảng trống ở phía trước cho các cổng USB và Ethernet của RPi. Để lại hai khoảng trống ở phía dưới cho các dây nguồn và đầu nối nguồn điện (xem Hình 2). Ngoài ra, hãy để lại các lỗ thông gió để cho phép lưu thông không khí tốt để làm mát hệ thống.

Hình 2: Thiết kế vỏ khối.

Sau khi thiết kế vỏ phần cứng như mô tả ở trên, hãy in 3D. Bạn có thể tự thiết kế nếu muốn hoặc chọn hệ thống gắn trên giá và lắp hệ thống làm mát và CPU trong thiết lập gắn trên giá.

Hệ thống làm mát

Một hệ thống làm mát tốt là điều cần thiết đối với siêu máy tính, vì CPU phải thực hiện các tác vụ phức tạp và có thể nóng lên nhanh chóng. Nên sử dụng hệ thống làm mát kép, sử dụng nhiệt điện trước rồi mới đến làm mát bằng nước. Để có kết quả tốt hơn, bạn có thể sử dụng chất làm mát dạng lỏng thay vì nước.

Đối với bình chứa/chất làm mát, bạn có thể sử dụng một bình chứa hình trụ trong suốt, kín làm bằng thủy tinh hoặc nhựa được đặt trong một hộp được thiết kế trước đó. Bình chứa phải chống rò rỉ để tránh làm hỏng các linh kiện điện tử gần đó hoặc gây ra hiện tượng đoản mạch.

Hình 3: Ống vào và ống ra được lắp đặt trong bể chứa.

Như thể hiện trong Hình 3, khoan lỗ cho các ống vào và ra trong bể chứa và khoan một lỗ khác cho dây điện của máy bơm chìm. Nối các ống nước và dây điện với nhau, sau đó bịt kín các lỗ bằng keo để đảm bảo không có rò rỉ nước từ bể chứa. Xem Hình 4, Hình 5 và Hình 6 để biết chi tiết.

Hình 4: Khoan lỗ thoát nước vào và ra thật chặt và dùng keo dán chống rò rỉ nước.

Hình 5: Nắp bể nước

Hình 6: Bình chứa đầy chất lỏng.

Che các linh kiện điện tử trong bình chứa bằng tấm nhựa hoặc băng dính để ngăn các giọt nước từ hơi ẩm bên trong. Điều này sẽ không gây ra bất kỳ vấn đề nào. Đặt các ống đầu vào và đầu ra vào khối làm mát bằng nước bằng nhôm (xem Hình 7 và Hình 8) và kết nối máy bơm nước và cáp nhiệt điện với nguồn điện DC 5V.

Hình 7: Thiết lập mô-đun nhiệt điện trên chip xử lý RPi.

Hình 8: Khối nhôm làm mát bằng nước.

Cuộc họp

Bây giờ, khi bình chứa, bơm làm mát và tất cả các hệ thống làm mát đã sẵn sàng để lắp đặt, bạn có thể lắp ráp các thành phần và bắt đầu xây dựng khối siêu máy tính. Đầu tiên, gắn máy tính bảng đơn RPi vào bên trong vỏ máy mà bạn đã thiết kế, như minh họa trong Hình 9. Sau đó, lắp khối làm mát đầu tiên vào đó. Tiếp theo, gắn RPi thứ hai vào bên trong vỏ máy, đảm bảo rằng các cổng ở bên ngoài và có thể tiếp cận được thông qua các lỗ cắt trong vỏ máy được tạo ra cho mục đích đó.

Hình 9: RPI được đặt trong hộp.

Cố định RPi thứ hai bằng vít, sau đó cố định khối nhiệt điện và khối làm mát vào đó. Sau đó, phủ phần trên của vỏ máy. Để trông mát mẻ và nhìn thấy dòng nước chảy, hãy sử dụng một tấm acrylic trong suốt để phủ lên vỏ máy. Chi tiết có thể xem trong Hình 10 đến Hình 12.

Hình 10: Bể chứa có RPI tích hợp.

Hình 11: Nhìn từ trên xuống.

Tham khảo sơ đồ kết nối được hiển thị trong Hình 13, sau đó kết nối máy bơm nước và bộ làm mát nhiệt điện với nguồn điện DC 5-12V, 2A và cấp nguồn cho RPi bằng nguồn điện DC 2A, 5V.

Hình 12: Lắp đặt mô-đun làm mát bằng nước

phần mềm

Cài đặt phiên bản mới nhất của hệ điều hành Raspbian trên RPi của bạn, tạo một nút chính sẽ chia các tác vụ phức tạp thành các nút thành phần và điều khiển các nút này để xử lý và tính toán, giống như một siêu máy tính. Để thực hiện, hãy mở một thiết bị đầu cuối Linux và thiết lập MPI, cài đặt MiPIH và chuẩn bị một nút chính sẽ chia và điều khiển các tác vụ trong một nhóm máy tính.

sudo apt-get update

Thay đổi mật khẩu của người dùng 'pi'

Trong 'Hoạt động mạng', hãy đổi tên máy chủ thành nodeX, thay thế X bằng một số cụ thể (node1, node2, v.v.). node1 sẽ là đơn vị chính của chúng ta.

Thiết lập Ethernet:

sudo nano /etc/dhcpcd.conf

Đi đến cuối tệp và thêm nội dung sau:

interface eth0
static ip_address=10.0.0.1/24

Và tạo nên bản sắc riêng của bạn:

ssh-keygen -t rsa
Setup master node
ssh-copy-id 10.0.0.1

Bây giờ nút chính đã sẵn sàng. Mở thiết bị đầu cuối của nút thứ hai và kết nối ethernet với cả hai RPis bằng đầu nối ethernet và lặp lại các bước trên trong đó. Để thêm các nút bổ sung (có thể là hàng nghìn nút), hãy tạo một hình ảnh có thể khởi động của thiết lập RPi ở trên và chuẩn bị thẻ SD của tất cả các nút có cùng hình ảnh.

Hình 13: Sơ đồ kết nối dự án

Kết nối tất cả chúng bằng đầu nối Ethernet, sau đó khởi động tất cả và đặt chúng làm nút chính bằng các lệnh và cấu hình sau. Mở terminal và chạy các lệnh sau trên mỗi nút của siêu máy tính:

sudo apt install mpich
python3-mpi4py

Khi hoàn tất, thử nghiệm MPI sẽ được chạy trên từng nút:

mpiexec -n 1 hostname

Từ node1 (10.0.0.1), chạy lệnh sau:

mpiexec -n 4 –hosts 10.0.0.1,10.0.0.2,
10.0.0.2,10.0.0.4 hostname

Sau khi hoàn tất mọi thiết lập, bạn có thể kiểm tra hệ thống. Kết nối từng nút và bật nguồn cho tất cả.

Để kiểm tra siêu máy tính, hãy tải mã từ Github.

Mở terminal của nút chính và chạy lệnh sau trong terminal Linux:

mpiexec -n 1 python3 prime.py 1000

Khi bạn chạy đoạn mã trên, nhiệm vụ phức tạp là tìm các số nguyên tố lên đến 1.000 hoặc 4.000 hoặc thậm chí 100.000 được chia đều cho tất cả các nút trong hệ thống và các nút sẽ làm việc cùng nhau và tính toán để có được kết quả. Hình 14 cho thấy chương trình hoạt động như thế nào.

Hình 14: Chạy mã

Tải xuống mã nguồn

‍