고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)에서 인터커넥션 네트워크(Interconnection Network)는 시스템의 성능과 효율성을 결정하는 주요 요소 중 하나입니다.

수천, 수만 개의 프로세서를 병렬 형태로 작업 처리하는 구조를 갖는데, 이때 각 프로세서가 서로 데이터를 주고받으려면 빠르고 안정적인 네트워크가 필수적이기 때문입니다.

 

 

HPC 인터커넥션 네트워크(Interconnection Network)의 역할

 

HPC 시스템의 성능은 장착된 CPU나 GPU 같은 개별 프로세서의 연산 능력도 중요하지만, 다중 CPU, 다중 GPU 작업을 수행하기 위해서는 프로세서 간에 데이터 통신 속도 또한 성능을 나타내는데 매우 중요한 요인이 됩니다.

 

대표적인 인터커넥션 네트워크 기술

 

1) Cray Aries : Cray 슈퍼컴퓨터에서 사용되는 독점 인터커넥션 기술로, 독특한 네트워크 아키텍쳐와 결합되어 효율적인 성능을 발휘합니다.

 

2) InfiniBand : 고속 데이터 전송이 필요한 HPC에 가장 널리 사용되는 인터커넥션 네트워크 기술인 InfiniBand는 낮은 지연 시간과 높은 대역폭을 제공합니다. RDMA(Remote Direct Memory Access)를 지원하여 프로세서 간의 메모리 접근을 빠르게 할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

3) Intel Omni-Path : HPC를 위해 설계된 또 다른 인터커넥션 기술로, 낮은 지연 시간 및 높은 대역폭을 제공합니다.

 

4) Ethernet : 일반적인 상용 데이터 센터에서 많이 사용되는 기술로, 현시점에서 100G 이더넷(Ethernet)까지 매우 향상되어 있습니다.

 

 

효율성과 확장성을 높이는 네트워크 토폴로지

 

네트워크 토폴로지는 프로세서들 간의 연결 구조를 의미하며 통신 효율성과 확장성에 영향을 줍니다. 주요 토폴로지로 메시(mesh), 토러스(torus), 나무(tree), 그리고 Fat-Tree 구조가 있습니다.

 

- 메시 및 토러스 : 각 노드가 이웃한 노드들과 직접 연결된 형태로 전통적으로 많은 HPC시스템에서 사용되었습니다 데이터 전송 경로가 짧아 지연 시간이 적지만, 네트워크가 커질수록 확장성 문제를 겪을 수 있습니다.

- Fat-Tree : 데이터 센터와 HPC 시스템에서 사용되는 구조로 각 계층이 균형 잡힌 트리 구조를 이루어 대규모 시스템에서도 높은 확장성을 제공합니다. 여러 경로가 존재하여 데이터 병목 현상을 최소화할 수 있습니다.

 

 

HPC 인터커넥션 네트워크의 한계점

 

HPC 시스템이 대규모화될수록 인터커넥션 네트워크에도 한계점이 존재합니다.

 

1) 확장성 : HPC 시스템이 수천, 수만 개의 노드로 확장됨에 따라 네트워크 성능을 유지하기 위해서는 각 노드 간 통신 지연을 최소화하는 것이 중요합니다. 네트워크 토폴로지와 라우팅 알고리즘의 최적화가 필수적입니다.

2) 비용 효율성 : 고성능의 네트워크를 구현하는 데에는 많은 비용이 필요합니다. 따라서 HPC 시스템 설계 시 성능과 비용의 균형을 맞추는 것이 중요한 과제입니다.

3) 에너지 효율성 : 대규모 HPC 시스템에서 네트워크는 전력소모가 상당합니다. 따라서 에너지 효율성을 높이기 위한 기술적 개선 또한 중요합니다.

4) 신뢰성 : 네트워크에 대한 신뢰성은 시스템의 안정성과 직결됩니다. 특히 대규모 클러스터에서 네트워크 장애가 생기면 시스템 전체에 큰 영향을 미치게 됩니다.

 

 

네트워크 및 HPC 구성까지 효율을 극대화 시키는 HPC 솔루션 ‘아렌티어’

 

최적의 HPC 환경 조성을 위해 신경 써서 고려해야 할 요인은 HPC 시스템, 고성능 네트워크, 효율적인 토폴로지 구성 등.. 많습니다. 다시 말하면 이렇게 많은 요인들을 검토해야 하는 만큼 큰 비용이 드는 일인 만큼, HPC 사업 경험이 많은 전문가와 심도 있는 상담이 필요한 일일 것입니다.

 

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[참고자료]

• https://www.fibermall.com/ko/blog/what-is-infiniband-network-and-difference-with-ethernet.htm?srsltid=AfmBOoril_FiFQO_o6Z-QSOPPoBQOgCwjAN4NAMdkMIs_c_Ep9njeGI_
• https://en.wikipedia.org/wiki/Omni-Path
• https://www.studocu.com/row/document/fayoum-university/cloud-computing/interconnection-networks-for-computer-clouds/51076345
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