High Performance Computing vs. Cloud Computing. Cloud-basiertes HPC

Die Definition von High Performance Computing (HPC)

HPC, oder High Performance Computing, ist die Praxis der Konsolidierung von Clustern extrem leistungsstarker Hardware, um eine Vielzahl von anspruchsvollen Berechnungen durchzuführen, die außerhalb der Möglichkeiten eines normalen Computers liegen.

Ein Supercomputer ist eines der grundlegendsten Beispiele für HPC-Hardware. Er ist in der Lage, etwa Quadrillionen von Operationen in einer Sekunde auszuführen (ein durchschnittlicher Desktop-Computer kann in der gleichen Zeitspanne mehrere Milliarden Berechnungen durchführen).

Ein Supercomputer besteht aus vielen Rechenknoten, die gleichzeitig arbeiten (paralleles Rechnen), wodurch ein so genannter HPC-Cluster entsteht.

Wie HPC funktioniert

HPC als Methode steht schon seit einiger Zeit hinter vielen verschiedenen Innovationen und Technologien. HPC-Systeme dienen der Verbesserung der gesamten Welt, einschließlich des industriellen, gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Fortschritts. Viele verschiedene Branchen wie das Gesundheitswesen, die Öl- und Gasindustrie, die Pharmakologie, die Meteorologie, das Militär und die Verteidigung sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie sind heute oft auf die Arbeit mit riesigen Datenmengen und unglaublich komplexen Berechnungen angewiesen – darunter künstliche Intelligenz, 3D-Bildgebung, das Internet der Dinge und vieles mehr.

Eine normale HPC-Lösung verwendet eine ziemlich komplexe Logik, da viele Elemente gleichzeitig arbeiten müssen. Diese Elemente werden in einem Cluster vereint und mit einem Datenspeicher verbunden, um die Ergebnisse der Berechnungen aufzuzeichnen.

Damit dieses gesamte System funktioniert, ist ein empfindliches Gleichgewicht erforderlich – einschließlich der Datenspeicherung. Er ist in der Lage, die vorhandenen Daten in die Rechenelemente einzuspeisen und die Ergebnisse der Berechnungen vollständig zu erhalten. Die gleiche Logik gilt auch für die Netzwerkseite des Systems. Wenn auch nur ein Element nicht mithalten kann, kann das gesamte System nicht die volle Leistung erbringen. HPC kann modernen Betrieben und Unternehmen viele Vorteile bieten, aber die Einrichtung ist mit viel Aufwand verbunden.

Hauptanwendungsfälle von HPC

HPC ist in den meisten Branchen inzwischen relativ weit verbreitet, und viele Fortune 1000-Unternehmen haben diese Strategie bereits mehrfach genutzt. Einige der prominentesten Beispiele für HPC-Anwendungsfälle finden Sie unten:

• Raumbezogene Analysen und Vorhersagen darüber, wo sich Gas- oder Ölvorkommen befinden.
• Analysen von Arzneimittelinteraktionen, DNA-Sequenzierung und Proteinanalysen.
• Komplexe Simulationen im Bereich der Luft- und Raumfahrtindustrie (Luftströmung für verschiedene Flugzeugelemente).
• Kundendatenanalysen für eine bessere und personalisierte Kundenerfahrung und Produktempfehlungen.
• Finanzmodellierung, komplexe Risikoanalysen, Betrugserkennung und andere Fintech-Operationen.
• Rendering von Spezialeffekten für das Kino, Transkodierung von Mediendateien, Erstellung von Animationen, usw.

Cloud Computing im Kontext von HPC

Aufgrund der Notwendigkeit einer Menge teurer Hardware, die notwendig ist, um auch nur einen einzigen HPC-Cluster zu erstellen, waren die meisten HPC-Systeme eine Zeit lang ein extrem teures Unterfangen und sind für die meisten Unternehmen in dieser Form immer noch unerreichbar. Glücklicherweise gibt es eine Alternative zu dieser Art von Investitionen: Cloud-basiertes HPC.

Die Definition von Cloud Computing

Cloud Computing, HPC in der Cloud oder HPC-as-a-Service, ist um ein Vielfaches günstiger als sein traditionelles Gegenstück und bietet gleichzeitig mühelose Skalierbarkeit und Geschwindigkeit für kleinere Nutzer. Ein reguläres Cloud Computing-System umfasst sowohl die Infrastruktur als auch die HPC-Cluster, die potenziellen Kunden angeboten werden, kombiniert mit mehreren ähnlichen Fähigkeiten – sei es HPC-Expertise, Ökosystemelemente usw.

Warum wird HPC in die Cloud verlagert?

Es gibt drei Hauptargumente, die den plötzlichen Aufstieg des Cloud Computing im HPC-Bereich erklären – Verfügbarkeit, Nachfrage, Effizienz und RDMA.

Verfügbarkeit bezieht sich auf die Tatsache, dass cloudbasierte HPC-Dienste in letzter Zeit praktisch alltäglich geworden sind, wobei öffentliche und private Cloud-Speicherdienste bis zu einem gewissen Grad HPC-Funktionen bieten. Die Verfügbarkeit und der Preis eines solchen Angebots (der viel niedriger ist als die Kosten einer Investition in einen eigenen HPC-Cluster) haben viele Unternehmen dazu veranlasst, sich dem Cloud Computing als Alternative zum HPC zuzuwenden.

Die Nachfrage ist ein weiterer entscheidender Faktor für diesen Popularitätsschub. Geschäfte und Unternehmen auf der ganzen Welt sind zunehmend auf Informationen und Operationen angewiesen, die nur HPC bieten kann – Betrugserkennung, komplexe Auswertungen, Risikoanalysen und vieles mehr. HPC kann nicht nur einige der ungewöhnlicheren Probleme lösen (wie z.B. die DNA-Sequenzierung), sondern auch einige der bestehenden Problemlösungsprozesse beschleunigen (wie z.B. die Betrugserkennung). Die Möglichkeit, diese Art von Vorteilen zu erhalten, ohne auf massive Investitionen in Infrastruktur und Hardware zurückgreifen zu müssen, ist es, was dieses Thema so beliebt macht.

RDMA Netzwerke (Remote Direct Memory Access) sind die Fähigkeit mehrerer Computer, Daten miteinander zu teilen, ohne die Prozesse des anderen zu beeinflussen oder überhaupt die Betriebssystemschicht zu durchlaufen. Diese Technologie ist einer von vielen Fortschritten, die HPC im Vergleich zu herkömmlichen Methoden sehr viel effektiver gemacht haben, mit höherem Durchsatz und geringerer Latenz beim Datenaustausch. Leistungsstarke RDMA-Instanzen wie Virtual Interface Architecture und Infiniband haben das Cloud Computing, wie wir es heute kennen, mehr oder weniger erst möglich gemacht.

High Performance Computing vs. Cloud Computing

Anhand der obigen Informationen können wir zu dem Schluss kommen, dass High-Performance Computing eine extrem teure Strategie ist, die für viele moderne Unternehmen praktisch erforderlich ist, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Mit Cloud Computing wird das gesamte HPC-Konzept viel handhabbarer und kostengünstiger, aber es birgt auch einige Herausforderungen in sich.
Auch traditionelle HPC-Infrastrukturen haben ihre eigenen Probleme:

• Eine extrem hohe Vorabinvestition in die Hardware und die Infrastruktur zur Unterstützung dieser Hardware.
• Die laufenden Kosten für den Betrieb der Hardware.
• Die Notwendigkeit, die vorhandene Hardware regelmäßig aufzurüsten, um die Leistung zu verbessern und mit der Konkurrenz Schritt zu halten.
• Potenzielle Schwierigkeiten mit der Skalierbarkeit in der Breite, da Sie die gesamte Hardware selbst anschaffen müssen.

Was das Cloud Computing betrifft, so werden im Folgenden die spezifischen Vor- und Nachteile von cloudbasiertem HPC erörtert.

Vorteile und Probleme des HPC Cloud Computing

Die Vorteile von HPC in der Cloud sind relativ offensichtlich:

• Einfachere Sicherungs- und Wiederherstellungsvorgänge, da die meisten HPC-Systeme mit extrem großen Datenmassen arbeiten. Die Verwaltung von Sicherungssystemen für diese Systeme vor Ort kann aufgrund der Datenmengen, die HPC regelmäßig verarbeitet und ausgibt, extrem teuer sein.
• Die schiere Fähigkeit, hochkomplexe und zeitaufwändige Aufgaben wie Betrugserkennung und Risikoberechnung ohne die Notwendigkeit massiver Vorabinvestitionen in die Infrastruktur durchzuführen.
• Die Fähigkeit von Cloud-Diensten, in beide Richtungen zu skalieren, um gerade genug Rechenleistung für bestimmte Aufgaben zur Verfügung zu haben und so die Gesamtkosten der Lösung zu senken.

Was die potenziellen Probleme betrifft, auf die Benutzer mit dieser Technologie stoßen können, so gibt es einige Beispiele dafür:

• Cloud Computing gilt im Allgemeinen als preiswerter als eine vollwertige HPC-Infrastruktur vor Ort, aber die Kosten für beide variieren je nach Zeitraum. Ein Cloud Computing-Service kann auf lange Sicht sogar teurer sein als eine herkömmliche HPC-Installation, einfach weil die Wartung Ihrer eigenen Hardware in der Regel billiger ist als die Zahlung für einen kompletten HPC-Service in der Cloud.
• Die Übertragung von Cloud-basierten Daten wie Berechnungsergebnissen wird mit zunehmender Größe immer schwieriger. Dieses Problem hängt größtenteils davon ab, wie modern die Netzwerkarchitektur der Cloud-Lösung ist. Aber es gibt auch Grenzen dafür, wie schnell ein Unternehmen seine Daten aus dem Cloud-Speicher im Vergleich zum HPC-Speicher vor Ort erhalten kann.
• Die Absicherung von Cloud Computing-Lösungen ist im Rahmen moderner Sicherheitssysteme aufgrund ihrer ungebundenen Natur äußerst schwierig. Die Einrichtung eines Sicherheitssystems für einen HPC-Service in der Cloud kann viel Zeit in Anspruch nehmen, und die Richtlinien müssen konfiguriert und regelmäßig überprüft werden, um die Datensicherheit zu gewährleisten.

Hybrid HPC

Cloud Computing als Ganzes ist nicht einstimmig besser als der traditionelle HPC-Ansatz, und es gibt zahlreiche Vorteile, die für beide Optionen separat sprechen. Glücklicherweise ist es auch möglich, beide gleichzeitig zu nutzen – und das ist relativ häufig der Fall.

Hybrid HPC-Benutzer verlassen sich für einige Teile der Berechnungen auf ihre eigene Hardware, während der Rest mit Hilfe von Cloud Computing durchgeführt wird. Allerdings muss genau überlegt werden, welche Operationen an das Cloud Computing delegiert werden können, um sicherzustellen, dass es nicht zu Leistungseinbußen für das Unternehmen als Ganzes kommt.

Die Zukunft des High Performance Computing

In gewisser Weise kann Cloud Computing bereits als die Zukunft des HPC angesehen werden. Es ist die Möglichkeit, extrem komplexe Berechnungen durchzuführen, ohne dass viele Ressourcen in die Hardware-Infrastruktur vor Ort investiert werden müssen. Gleichzeitig hat das Cloud Computing aber auch seine eigenen Probleme, und eine Reihe von Unternehmen nutzt aus bestimmten Gründen weiterhin HPC vor Ort.

Es gibt auch die Möglichkeit, beides gleichzeitig zu nutzen und so die Vorteile beider Welten zu erhalten. HPC-Lösungen sind jedoch bekanntermaßen schwierig einzurichten, und wenn Sie sowohl vor Ort als auch in der Cloud arbeiten, wird die Zahl der potenziellen Probleme noch weiter steigen.

HPC als Methode wird sich durchsetzen, da immer mehr Branchen für eine Vielzahl von Aufgaben darauf zurückgreifen. Die Wahl zwischen On-Premise-, Cloud- und hybriden HPC-Systemen hängt meist von den spezifischen Bedürfnissen und Aufgaben eines Unternehmens ab, und es ist irreführend zu sagen, dass eine Form von HPC absolut besser ist als die andere. Jedes Unternehmen hat seine eigenen Bedürfnisse, Budgets und Ziele und muss daher seine HPC-Anforderungen auf seine eigene Weise lösen. Die Tatsache, dass es eine Auswahl gibt – mit mehr Möglichkeiten als je zuvor, auf HPC zuzugreifen – ist jedoch ein gutes Zeichen für die HPC-Branche und die Vorteile, die sie uns bringen kann.

Sicherungen und Wiederherstellungen sind im HPC-Bereich wichtig, vor allem wegen der Kritikalität der Daten, die HPC produziert, und ihres Wertes. Es handelt sich dabei eindeutig um Daten, die nicht verloren gehen, kompromittiert oder beschädigt werden dürfen. Gleichzeitig sind die von HPC erzeugten Datensätze jedoch in der Regel enorm groß, so dass die Erstellung effektiver Kopien dieser Daten – und ihrer Anwendungen – nicht trivial ist. Budgets müssen eingehalten werden, die Sicherheit muss gewährleistet sein und – aufgrund der schieren Menge der Daten – wird auch die Nachhaltigkeit zu einem wichtigen Thema.

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