Суперкомпьютер с системой водяного охлаждения | Электронный проект своими руками

Есть области, где нам нужны небольшие вычислительные машины, которые могут работать коллективно, как суперкомпьютер. Давайте посмотрим, как это можно сделать.

Большинство суперкомпьютеров имеют взаимосвязанные процессоры с главным узлом CPU, который делит большую вычислительную задачу на более мелкие задачи. Эти более мелкие задачи назначаются взаимосвязанным процессорам, которые работают вместе, чтобы выполнить задачу за гораздо меньшее время.

Видеоруководство POC на английском языке:

Видео: https://www.youtube.com/watch?v=UYbw8vNcYzw

Видеоруководство POC на хинди:

Видео: https://www.youtube.com/watch?v=dckOxv2Hk9M

Итак, давайте спроектируем наш собственный суперкомпьютер, который будет базовой системой, к которой вы можете подключить столько узлов, сколько захотите, для выполнения ваших вычислений и обработки. Мы будем использовать одноплатные компьютеры, соединим их друг с другом и сделаем один из них главным узлом. Главный узел будет распределять задачи и контролировать все остальные компьютеры.

Компоненты, необходимые для этого проекта, перечислены в таблице спецификации. Авторский прототип показан на рис. 1.

Каждому узлу кластера нашего суперкомпьютера потребуются компоненты, указанные в спецификации. Чтобы создать кластерный суперкомпьютер со скоростью 100 RPI, вам понадобятся 100 наборов из вышеперечисленных.

Проектирование оборудования

Вы можете спроектировать либо простую систему на базе стойки, либо спроектировать блок каждого узла и соединить блоки, чтобы создать большой кластер для личного использования. Давайте посмотрим, как можно создать кластерный суперкомпьютер на основе блоков, где каждый блок имеет два процессора со своими отдельными предварительно настроенными системами управления питанием и охлаждением. Такая конструкция дает вам возможность добавлять столько отдельных блоков кластера, сколько необходимо. Вы можете достичь даже одного терабайта вычислительной мощности, добавив достаточное количество этих одноузловых блоков.

Спроектируем моноблочный корпус, вмещающий два одноплатных компьютера RPi и цилиндрический резервуар водяного охлаждения. В конструкции case оставьте два разреза на передней стороне, чтобы открыть порты USB и Ethernet RPi. Сохраните два отверстия внизу для пропуска проводов и разъемов источника питания (см. рис. 2). Также сделайте несколько вентиляционных отверстий для циркуляции воздуха, чтобы система оставалась прохладной.

После разработки корпуса оборудования, как описано выше, распечатайте его на 3D-принтере. Вы можете создать свой собственный дизайн if по своему вкусу или даже выбрать стоечную систему и настроить систему охлаждения и процессоры в стойке.

Система охлаждения

Для суперкомпьютера необходима хорошая система охлаждения, поскольку процессоры будут выполнять сложные задачи и могут быстро нагреваться. Рекомендуется использовать двойную систему охлаждения, использующую сначала термоэлектрическое, а затем водяное охлаждение. Для достижения лучших результатов вместо воды можно использовать жидкую охлаждающую жидкость.

В качестве резервуара для воды/хладагента можно использовать герметичный прозрачный цилиндрический контейнер из стекла или пластика, который помещается внутрь case, разработанного ранее. Резервуар должен быть герметичным, чтобы избежать повреждения близлежащих электронных компонентов или короткого замыкания.

Как показано на рис. 3, сделайте в резервуаре отверстия для патрубков входа и выхода воды и еще одно отверстие для проводки погружного водяного насоса. Соедините водопроводные трубы и провода и заклейте отверстия клеем на резиновой основе, чтобы исключить утечку воды из резервуара. Подробности см. на рис. 4, рис. 5 и рис. 6.

[signinlocker id="87626″]

Накройте электронные компоненты в резервуаре пластиковым листом или виолончельной лентой, чтобы капли воды, образующиеся из-за влажности внутри, не создавали проблем. Поместите впускную и выпускную трубы внутри алюминиевого блока водяного охлаждения (см. Рис. 7 и Рис. 8) и подключите водяной насос и термоэлектрические провода к источнику питания постоянного тока 5 В.

Сборка

Когда резервуар насоса охлаждающей воды и вся система охлаждения готовы к установке, теперь вы можете собрать компоненты и приступить к изготовлению блока суперкомпьютера. Сначала закрепите одноплатный компьютер RPi внутри спроектированного вами case, как показано на рис. 9, и установите на него первый блок охлаждения. Затем смонтируйте второй RPi внутри case, убедившись, что порты открыты и доступны через вырезы в case, сделанные для этой цели.

Закрепите второй RPi винтом, а затем закрепите на нем термоэлектрический и охлаждающий блок. Затем закройте верхнюю сторону case. Чтобы он выглядел круто и было видно, как течет вода, закройте case прозрачным акриловым листом. Подробности можно увидеть на рис. 10–12.

См. схему подключения, показанную на рис. 13, и соответствующим образом подключите водяной насос и термоэлектрический охладитель к источнику питания постоянного тока 5–12 В, 2 А, а затем подключите RPi к источнику питания постоянного тока 2 А, 5 В.

Программное обеспечение

Установите последнюю версию Raspbeian OS в RPi. Создайте главный блок, который разделит сложную задачу на все составляющие ее узлы и будет управлять их обработкой и вычислениями, как суперкомпьютер. Для этого откройте терминал Linux и настройте MPI. Установите MiPIH и подготовьте главный узел, который разделяет и контролирует задачи между кластером компьютеров.

обновление sudo apt-get

Измените пароль пользователя «pi».

В разделе «Сеть» измените имя хоста на nodeX, заменив X уникальным номером (узел1, узел2 и т. д.). Node1 будет нашим главным устройством.

Настройка Ethernet:

sudo nano /etc/dhcpcd.conf

Перейдите в конец файла и добавьте следующее:

интерфейс eth0
статический ip_address=10.0.0.1/24

Затем создайте уникальный идентификатор:

ssh-keygen -t rsa
Настройка главного узла
ssh-copy-id 10.0.0.1

Теперь главный узел готов. Откройте терминал второго узла и подключите Ethernet к обоим RPi с разъемом Ethernet и повторите описанные выше шаги. Для добавления дополнительных узлов (которых может быть тысячи) создайте загрузочный образ указанной выше установки RPi и подготовьте SD-карту всех этих узлов с тем же образом.

Подключите их все с помощью соединителя Ethernet, загрузите их все и настройте в качестве главных узлов, используя следующие команды и конфигурации. Откройте терминал и выполните на каждом узле суперкомпьютера следующую команду:

sudo apt install mpich
python3-mpi4py

После завершения тестовый MPI работает на каждом узле:

mpiexec -n 1 имя хоста

На узле 1 (10.0.0.1) выполните следующую команду:

mpiexec -n 4 –хосты 10.0.0.1,10.0.0.2,
10.0.0.2,10.0.0.4 имя хоста

После того, как все настройки прошли успешно, вы можете протестировать систему. Подключите каждый узел и включите их все.

Чтобы протестировать суперкомпьютер, загрузите код с Github.

Откройте терминал главного узла и выполните в терминале Linux следующую команду:

mpiexec -n 1 python3 prime.py 1000

Когда вы запускаете приведенный выше код, сложная задача по поиску простого числа до 1000, или 4000, или даже 100 000 делится между всеми узлами в системе, и узлы обрабатывают вместе и вычисляют, чтобы дать вам результат. На рис. 14 показано, как работает программа.

Ашвини Кумар Синха — технический журналист-энтузиаст Интернета вещей и AI в EFY

[/signinlocker]

Спецификация

Компоненты

Количество

Описание

Raspberry Pi 4 ГБ

Минимум 2 узла

Суперкомпьютерные узлы

Адаптер питания

Минимум 2 на узел

2A

Алюминиевый блок с водяным охлаждением

Минимум 2 на узел

40мм×40мм×12мм

SD-карта 16 ГБ/SSD от 120 ГБ до 500 ГБ

SD-карта минимум 2/1 SSD

Скорость чтения/записи 100 МБ/с

Термоэлектрический охладитель

Минимум 2 на узел

40мм×40мм×12мм

Труба диаметром 7 мм

Минимум 4 на узел

Отверстие 7 мм, 5 мм

Вода или охлаждающая жидкость

200 мл

Вода/Охлаждающая жидкость

Резервуар для воды

200 мл

Цилиндрический герметичный контейнер

Микроводяной насос

1 на узел

3-5 5В, отверстие 3 мм

Ethernet кабель

2 на узел

Кабель Ethernet 15 см

3D-печать case

1 на узел

3D-печать PLA/ABS

Ethernet сплиттер

1

2 или более портов