Rechenknoten

Rechenknoten sind die grundlegenden Verarbeitungseinheiten in Hochleistungsrechnersystemen (HPC) und bestehen aus einem oder mehreren Prozessoren (CPUs, GPUs oder Beschleunigern), Speicher und Netzwerkschnittstellen. Sie arbeiten gemeinsam innerhalb eines Clusters, um komplexe Rechenlasten wie wissenschaftliche Simulationen, Datenanalysen und Training künstlicher Intelligenz parallel zu verarbeiten. In einem typischen HPC-Cluster sind Rechenknoten über ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk wie InfiniBand oder Ethernet verbunden und werden von einem zentralen Scheduler oder Head-Node verwaltet, der Aufgaben verteilt. Jeder Knoten arbeitet unabhängig, führt Anweisungen mit seinen Prozessoren aus, greift auf Daten aus lokalem Speicher oder gemeinsam genutztem Speicher zu und kommuniziert Ergebnisse oder Zwischendaten mit anderen Knoten, um große Probleme durch parallele Verarbeitungsframeworks wie MPI gemeinsam zu lösen. Die Konfiguration der Rechenknoten variiert je nach vorgesehener Arbeitslast: Dual-Socket-Knoten bieten ein Gleichgewicht zwischen Dichte und Leistung, während Quad-Socket-Knoten die Rechenleistung pro Knoten maximieren. Die Speicherkapazität reicht typischerweise von 512 bis 2048 GB und unterstützt In-Memory-Datenbanken und speicherintensive HPC-Anwendungen. Der Speicher wird über NVMe-SSDs bereitgestellt, mit Kapazitäten von 960 bis 7680 GB, die hohen I/O-Durchsatz und lokales Daten-Staging ermöglichen. Die Netzwerkbandbreite reicht von 100 bis 400 Gbit/s, wobei höhere Geschwindigkeiten für MPI-Kommunikation mit geringer Latenz bevorzugt werden. Die Leistungsaufnahme variiert zwischen 500 und 2000 W und beeinflusst Kühlung und Kapazität der Stromverteilungseinheit (PDU). Betriebstemperatur und relative Luftfeuchtigkeit folgen den ASHRAE-A3-Richtlinien (10–35 °C und 8–80 % nicht kondensierend), außerhalb derer thermische Drosselung oder Korrosionsrisiken auftreten können. Die Schutzarten reichen von IP20 für Rechenzentren bis IP54 für industrielle Edge-Umgebungen. Die Gehäusehöhen variieren von 1U für Dichte bis 4U für ausreichende GPU-Kühlung, und die Gewichte liegen zwischen 15 und 40 kg, was sich auf Rack-Last und Versand auswirkt. Diese Spezifikationen sind typische Bereiche; tatsächliche Werte müssen mit dem Hersteller für spezifische Modelle und Anwendungen verifiziert werden.

Rechenknoten empfangen Rechenaufgaben von einem zentralen Scheduler oder Head-Node über ein Interconnect-Netzwerk. Sie führen Anweisungen mit ihren Prozessoren aus, greifen auf Daten aus lokalem Speicher oder gemeinsam genutztem Speicher zu und kommunizieren Ergebnisse oder Zwischendaten mit anderen Knoten, um große Probleme durch parallele Verarbeitungsframeworks gemeinsam zu lösen. Der Scheduler weist Aufgaben basierend auf Verfügbarkeit und Ressourcenanforderungen zu. Jeder Knoten führt sein eigenes Betriebssystem und Anwendungen aus und koordiniert sich mit anderen Knoten über Message Passing oder andere parallele Programmiermodelle. Das Interconnect-Netzwerk bietet Kommunikation mit geringer Latenz und hoher Bandbreite, was einen effizienten Datenaustausch ermöglicht. Knoten können auch auf gemeinsam genutzten Speicher für Eingabe-/Ausgabeoperationen zugreifen. Die Gesamtleistung des Systems hängt von der Anzahl der Knoten, ihren individuellen Fähigkeiten und der Effizienz des Interconnects und des Software-Stacks ab.