¿Qué es un clúster y por qué es clave en HPC y en Data Centers modernos?

Un clúster informático se refiere a la conexión de varios computadores o servidores, de modo que funcionan como si fueran una sola gran unidad. Esta arquitectura permite sumar y/o optimizar capacidad de procesamiento, recursos y disponibilidad.

En términos de la computación de alto rendimiento (HPC), los clústeres son fundamentales porque posibilitan ejecutar cálculos científicos y técnicos complejos mediante procesamiento paralelo, de ahí que obtengan su nombre convencional de supercomputadoras, como Aurora o Leftraru.

En los data centers modernos, los clústeres permiten la alta disponibilidad de servicios críticos. Si un nodo falla, otro asume la carga sin interrumpir la operación, lo que resulta clave en sectores como la banca, telecomunicaciones y salud. Otro factor importante es que el diseño permite la escalabilidad sin afectar la operación del rack.

De esta forma, los clústeres representan una infraestructura esencial tanto para el rendimiento intensivo como para la continuidad operativa en entornos tecnológicos actuales.

Clasificación de clústers

Los clústeres en infraestructura computacional se pueden clasificar principalmente en los siguientes tipos según su finalidad y arquitectura:

• De alta disponibilidad (HA): Diseñados para garantizar la continuidad de servicios en caso de fallos. Si un nodo deja de funcionar, otro toma su lugar sin interrumpir la operación.
• De balanceo de carga (LB): Distribuyen dinámicamente las solicitudes de los usuarios entre varios nodos para optimizar el uso de recursos y evitar sobrecargas.
• De alto rendimiento (HPC): Orientados a ejecutar cálculos científicos o técnicos complejos mediante procesamiento paralelo, aprovechando la capacidad combinada de todos los nodos.
• De almacenamiento: Su función principal es agrupar diferentes sistemas de almacenamiento en una única unidad lógica, accesible desde distintos nodos, lo que proporciona redundancia y mayor capacidad de almacenamiento.

En el HPC nacional, ubicado en la Universidad de Chile, destacan dos grandes clústeres de alto rendimiento: Leftraru Epu y Guacolda. En cuanto al almacenamiento, la infraestructura central corresponde al sistema IBM ESS 3200.

Componentes principales

Un clúster se compone de elementos esenciales que garantizan su funcionamiento:

• Nodos: Computadores que conforman la unidad básica del cluster. Pueden ser desde estaciones de trabajo hasta servidores de alto rendimiento.
• Red de interconexión: Medio de comunicación que conecta los nodos, usualmente de alta velocidad, para reducir latencias y mejorar transferencia de datos.
• Almacenamiento compartido o distribuido: Sistema de datos accesible por todos los nodos, lo que permite coherencia y disponibilidad de información.
• Software de gestión: Herramientas que controlan la asignación de tareas, sincronización, monitoreo y recuperación ante fallos.

Como ejemplo, consideremos a continuación cómo esquematiza su operación la Universidad de Yale

Anatomía del clúster del Yale Center for Research Computing (YCRC)

Para graficar los componentes de un clúster para HPC, veamos la siguiente imagen ilustra la arquitectura típica de estos sistemas, mostrando cómo se conectan los distintos componentes (nodos de login, sistemas de archivos compartidos y nodos de cómputo) y el rol que cumple cada parte en el proceso de cálculo y gestión de datos.

El diagrama anterior esquematiza a anatomía de un clúster de cómputo, cuyos elementos son los siguientes:

• Los nodos de acceso son la puerta de entrada al clúster, donde los usuarios se conectan, gestionan archivos y envían trabajos.
• El sistema de archivos compartido permite que todos los nodos accedan a los mismos datos y directorios, garantizando coherencia y eficiencia.
• Los nodos de cómputo realizan los cálculos enviados al clúster y cuentan con procesadores, memoria, almacenamiento local y, en algunos casos, GPUs.

Desde luego, cada no es un servidor, y cada uno tiene:

• El CPU es el procesador principal de cada nodo, compuesto por múltiples núcleos.
• La RAM es la memoria donde se cargan los programas y datos durante la ejecución.
• El HDD o SSD almacena el sistema operativo y archivos temporales en cada nodo.
• La GPU se utiliza para tareas de cómputo paralelo además del procesamiento gráfico.
• La NIC conecta cada nodo con los demás, con el almacenamiento compartido y con redes externas.

Más detalles de cómo funciona el clúster de HPC de la Universidad de Yale en el siguiente video:

Ventajas de un cluster

El uso de clusters ofrece múltiples beneficios:

• Escalabilidad: Permite añadir nuevos nodos sin afectar la operación, incrementando capacidad de cómputo.
• Tolerancia a fallos: Asegura continuidad en caso de que un nodo falle, gracias a la redundancia y mecanismos de respaldo.
• Optimización de recursos: El trabajo distribuido mejora la eficiencia y reduce tiempos de respuesta.

En resumen…

Un clúster es una infraestructura clave en la informática moderna que combina múltiples computadores para trabajar de forma conjunta, para ofrecer mayor potencia, disponibilidad y confiabilidad.

Cuenta con un diseño modular que permite escalar de acuerdo con las necesidades de cada organización, convirtiéndolo en la base de sistemas distribuidos y aplicaciones de misión crítica.

Fuentes: Supermicro | IBM |