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Anwendungsbeispiel

„Supercomputer“

Beim Anwendungsbeispiel „Supercomputer“

haben wir einen kompletten Serverraum in

Miniatur nachgebildet.

PiXtend übernimmt dabei eine Vielzahl an

Aufgaben. Es werden alle relevanten Größen

wie Temperaturen, Ströme und der Zustand

jedes beteiligten Rechners überwacht.

Aufbauend auf diesen Messwerten können

automatische Funktionen ausgeführt werden.

Beispielsweise werden die Lüfter abhängig von

der Rechenlast und der Umgebungstemperatur

vollautomatisch geregelt.

Auch Komfort-Funktionen, wie die Beleuchtung

der einzelnen Sektionen, können über die

Web-Bedienoberfläche vom PC, Tablet oder

Smartphone gesteuert werden.

Der eigentliche Rechenkern besteht aus drei

Clustern mit jeweils vier Raspberry Pi 3

Einplatinencomputern. Diese verbinden sich

über die integrierte WLAN-Schnittstelle mit der

PiXtend-SPS. Status-LEDs geben direkt am

Gerät Aufschluss über den Zustand der Rechner.

Im untersten Teil unseres Supercomputers, der

sogenannten „Maschinenhalle“, befindet sich

die Infrastruktur. Zentrale Netzteile und

Schutzeinrichtungen versorgen das gesamte

System. PiXtend erfasst die Energieflüsse und

zeichnet diese auf.

„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“

Als Software-Basis für das „verteilte Rechnen“ auf den zwölf

Raspberry Pi Computern haben wir auf BOINC gesetzt

(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing).

Mit Hilfe des BOINC-Client kann die Rechenleistung beliebig vieler

Computer für ein oder mehrer Projekte zur Verfügung gestellt

werden. Die Anzahl der beteiligten Rechner an allen Projekten liegt

bei rund 400.000. Die BOINC-Projekte beschäftigen sich

beispielweise mit folgenden Themengebieten:

Erstellung eines genaueren 3D-Modells der Milchstraße

Vorhersage zur Klimaentwicklung

Suche nach außerirdischem Leben

Erforschung neuer Medikamente

Lösen mathematischer Probleme

Die Rechenleistung unseres Supercomputers stellen wir aktuell

dem größten BOINC-Projekt - SETI@home - zur Verfügung.

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Anwendungsbeispiel

„Supercomputer“

„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“

Leistung

Die Leistungsfähigkeit des Raspberry Pi Computers hat von

der ersten Version 2012 bis heute (2016) stark

zugenommen.

In der aktuellen Version - 3 B - ist ein Quad-Core Prozessor

der neuen ARMv8 Generation mit 64 bit Architektur verbaut.

Die Rechenleistung pro Core ist im Vergleich zu modernen

x86-Prozessoren trotzdem relativ gering.

Jedoch haben wir unseren Supercomputer mit 12 Stück

der genannten Einplatinencomputer ausgestattet.

Dadurch ergibt sich eine ansehnliche Rechenleistung und

eine Energieeffizienz, bei der normale PC, Notebooks und

Workstations nicht mithalten können (siehe Diagramme -

unten).

Auch im Vergleich zu großen Servern bzw. Supercomputern

schneidet unsere 48-Core Maschine gut ab.

In der „Green 500 Liste“* der effizientesten Supercomputer

würde der PiXtend-Supercomputer einen Platz im Mittelfeld

belegen.

Diese überraschend guten Werte konnten wir aufgrund der

effizienten ARM-Prozessoren und durch die Verwendung

des onboard WLAN-Moduls des RPi 3 B erreichen.

Auf eine Datenverbindung per (Ethernet-)Kabel und

Switches wurde verzichtet, was Kosten, Platz und

Stromverbrauch reduzierte. Die Stromaufnahme des

PiXtend-Systems ist hier nahezu vernachlässigbar.

Eckdaten des Rechenkerns

12x Raspberry Pi 3 B

48x Cores, ARMv8, 64 bit, 1,2 GHz

12 GB Arbeitsspeicher, DDR2

96 GB Datenspeicher

Rechenleistung:

~ 0,75 GFLOPs pro Core

~ 36 GFLOPs gesamt

Elektrische Leistung: ~ 50 Watt

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Vergleichsrechner

Notebook

Intel Core i5-6200U, Mobile CPU

2,3 - 2,8 GHz, 2 Cores, 4 Threads

TDP: 15 W, 14 nm Technik

8 GB Arbeitsspeicher, DDR3L

Workstation

Intel Xeon E3-1231v3, Server CPU

3,4 - 3,8 GHz, 4 Cores, 8 Threads

TDP: 80 W, 22 nm Technik

16 GB Arbeitsspeicher, DDR3

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MFLOPs - Million Floating Point Operations per Second

(Millionen Gleitkomma Berechnungen pro Sekunde)

MFLOPs/W - MFLOPs pro Watt

(Rechenleistung pro elektrischer Leistung - Effizienz

* Bezogen auf die MFLOPs/W - Stand November 2015

Alle genannten Leistungsdaten beziehen sich auf die

Berechnungsgeschwindigkeit mit BOINC (BOINC-Benchmark).

www.green500.org

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Anwendungsbeispiel

„Supercomputer“

„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“

Kommunikation & Daten

Über BOINC arbeiten die 12 Rechner gemeinsam an

einem großen Projekt. Um neue Arbeitspakete zu

erhalten und fertige Arbeit zurück geben zu

können, verbindet sich jeder RPi per WLAN mit

einem Access-Point, welcher die

Internetverbindung zum BOINC-Server herstellt.

Die BOINC-Berechnungen nehmen ~ 99 % der

verfügbaren Rechenleistung je Core und 50% des

Arbeitsspeichers in Anspruch. Ein Arbeitspaket

belegt rund 30 Stunden CPU-Zeit auf einem Core.

Auch ohne Internetverbindung stehen genügend

Arbeitspakete für eine Woche zur Verfügung.

Das PiXtend-System übernimmt die Steuerung,

Überwachung und Koordination des

Gesamtsystems. Es ist ebenfalls von einem

Raspberry Pi angetrieben. Dieser kommuniziert per

WLAN und dem Modbus TCP-Potokoll mit jedem der

12 RPis. Das Modbus-Protokoll auf PiXtend (Master)

ist in CODESYS bereits integriert, die 12 Slaves

führen zyklisch ein Python Script (pymodbus

Library) aus. Über das Script werden auch die drei

Status-LEDs je Slave angesteuert.

Via Modbus werden zyklisch Statusinformationen

abgerufen und es können Befehle erteilt werden.

Status:

CPU-Auslastung je Core, Belegung des

Arbeitsspeichers, CPU-Temperatur, Fortschritt

und Berechnungsdauer der BOINC-Aufgaben

Befehle:

BOINC-Berechnungen starten & stoppen,

Neustart, Herunterfahren, Status-LEDs on/off

Auf die Bedienoberfläche kann direkt an der

PiXtend-Steuerung per Monitor und Maus oder von

jedem internetfähigen Gerät mit Webbrowser

(Tablet, PC, Smartphone) zugegriffen werden, auch

von Unterwegs per Internet.

Temperaturen und Belüftungsstatus werden in

Diagrammen visualisiert und in eine SQL-

Datenbank abgelegt. Die Daten können einfach mit

anderen Anwendungen weiterverarbeitet werden.

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„Raspberry Pi“ und das zugehörige Logo sind geschützte Markenzeichen der Raspberry Pi Foundation - www.raspberrypi.org ; „CODESYS“ und das zugehörige Logo sind geschützte Markenzeichen der Firma 3S-

Smart Software GmbH - www.codesys.com ; „Modbus“ und das zugehörige Logo sind geschützte Markenzeichen der Modbus Organization - www.modbus.org ; „Intel“, „Xeon“ und „Core i“ sind geschützte

Markenzeichen der Intel Cooperation - www.intel.com ; „BOINC“, „SETI@Home“ und die zugehörigen Logos sind geschützte Markenzeichen der University of California - universityofcalifornia.edu

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Anwendungsbeispiel

„Supercomputer“

„Automatisierung im Serverraum und der IT-Welt mit PiXtend“

Einsatzmöglichkeiten

Wir haben den Supercomputer gebaut um Ihnen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten unseres

PiXtend-Steuergeräts im IT-Bereich zu verdeutlichen. Der Versuchsaufbau kann aber noch

wesentlich mehr sein... Denn er verbindet unterschiedlichste Ingenieurs- & Informatik-Disziplinen:

Elektro- & Schaltschranktechnik

Automatisierungstechnik: SPS, Regelung

Linux Cluster, Grid und Cloud Computing, SQL-Datenbanken

Medieninformatik - Gestaltung von Web-Interfaces

Industrielle Protokolle - Modbus TCP über WLAN

Python- & Bash-Scripting, Programmierung nach EN 61131-3 (AWL, KOP, ST, FUP, CFC)

Bedienung per Tablet und Smartphone, App-Entwicklung

Dadurch eignet sich der Supercomputer optimal für den Einsatz im Bildungsbereich und kann die

Basis für verschiedenste Laborversuche in Hochschulen und Berufschulen sein.

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Funktionen & Visualisierung

Besonderen Wert wurde auf praktische Software-Funktionen

und eine klar strukturierte Bedienoberfläche gelegt.

Verschiedene Tabs der Web-Oberfläche (CODESYS-Webvisu)

stellen übersichtlich die Zustände & Messwerte des

Systems dar.

Eine Übersichtsseite ermöglicht alle relevanten

Systemzustände auf einen Blick zu überwachen. Dies sind

unter Anderem folgende:

Rechen- & Elektrische Leistungen

Effizienz - Rechenleistung pro Watt

Temperaturen & Luftfeuchtigkeit

Zustand von Beleuchtung & Belüftung

Im Tab „PiXtend“ lassen sich Einstellungen vornehmen,

Werte überwachen und zwischen den beiden

Betriebszuständen „Manuell“ und „Automatik“ umschalten.

Die in 4er Clustern organiserten Rechner lassen sich bei

Bedarf herunterfahren oder erneut starten.

Die Steuerung von Zu- und Abluft lässt sich stufenlos regeln.

Die „Supercomputer“ und „BOINC“ Tabs zeigen übersichtlich

die CPU-Auslastungen, Core-Temperaturen und

Berechnungsfortschritte aller 12 Raspberry Pis des

Rechenzentrums an.

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Qube Solutions UG (haftungsbeschränkt)Arbachtalstr. 6D-72800 Eningen, GERMANY

Tel.: +49 (0)7121 8806920Web: http://www.pixtend.de - info@pixtend.de

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