Glasfaser und Memristoren inside HP entwickelt mit „The Machine“ neue Rechnerarchitektur

Autor / Redakteur: Michael Matzer / Rainer Graefen

Unterder Bezeichnung „The Machine“ will HP in zwei bis drei Jahren die ersten verwertbaren Produkte einer neuen Rechnerarchitektur bereitstellen. Bis zu 160 Racks, die auf Memristoren basieren, lassen sich zu einem Cluster verbinden, der bis zu 160 Petabyte an Daten speichern und verarbeiten kann – bei der Größe eines Kühlschranks. Die Maschine soll der Datenflut des Internets der Dinge gewachsen sein und sechsmal schneller als ein aktueller Server arbeiten.

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Nahaufnahme eines Memristorgerätes auf einem 300-mm-Silizium-Wafer.
Nahaufnahme eines Memristorgerätes auf einem 300-mm-Silizium-Wafer.
(Bild: HP)

Seit zwei Jahren arbeitet die Forschungsabteilung von HP an einer völlig neuen Rechnerarchitektur. In Ermangelung einer Marketingabteilung hat sie diese Architektur einfach “The Machine” genannt.

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Das ist recht passend, denn letzten Endes ist The Machine ein Chamäleon, das zwar stets die gleichen Grundbausteine aufweist, aber seine Hauptprozessoren je nach Einsatzzweck austauschen kann. Für Smartphones sind eben andere Chips nötig als etwa für Kabelmodems oder Mobilfunkmasten.

Die Grundbausteine sind erstens zahlreiche Memristoren als Speicherbausteine, die zusammengeschaltet und vom Betriebssystem gesteuert werden. Als nichtflüchtiger Speicher (NVRAM) funktionieren sie wie Flash-RAM, indem sie einen Speicherzustand beibehalten. Doch der Zugriff auf jedes Byte ist weitaus schneller als Flash-Speicher: „Die Zugriffszeit liegt unter 250 Nanosekunden“, sagte HP-CTO Martin Fink, der Leiter der HP Labs, kürzlich auf der Hausmesse „HP Discover“.

Ein Pool von nichtflüchtigem „Universal Memory“

Zweitens gibt es eine Zwischenschicht aus Laser-gesteuerten Fiberglasfasern (Photonik) und drittens die jeweilige dreidimensionale CPU-Anordnung. Ein Machine-Rack ist also kein Server oder andere dedizierte Architektur, wie man sie seit 60 Jahren kennt, sondern vielmehr ein Pool von nichtflüchtigem „Universal Memory“ auf der einen Seite und einem Cluster gewünschter CPUs auf der anderen Seite.

Diese spezialisierten CPUs kennt man bereits von der Moonshot-Architektur als System-on-a-Chip. Die Kapazität der CPUs kann für alle Geräte von einem Telefon bis zum Superrechner oder Rechenzentrum ausgelegt werden.

Zwischen diesen beiden Pools befindet sich ein Glasfasernetz en miniature, das in der Lage sein soll, 6 Terabit pro Sekunde an Daten zu übertragen. Statt energiehungriger Kupferkabel werkeln hier also im Grunde nur Lichtpartikel, um Daten zu übertragen.

Der Strombedarf sinkt

Sowohl diese Komponente als auch der Universal Memory dienen der Senkung des Stromverbrauchs. Dieser soll laut Fink um den Faktor 80 niedriger sein als bei aktuellen Stromsparrechnern. Dadurch wird The Machine auch attraktiv für Mobiltelefone, Kabelmodems und vieles mehr.

Eines der Einsatzszenarien, das Fink malte, sieht so aus: Kabelmodems in aller Welt verfügen über komplizierte Technik, insbesondere für ihre Vernetzung. Was passiert, wenn ein Fehler auftritt und ihn der Kabelnetzbetreiber orten muss, um ihn zu reparieren? Man muss einen Techniker und ein Auto schicken.

Die Alternative: Eine MACHINE in jedes Kabelmodem einbauen. Diese baut ein so genanntes Mesh-Netzwerk auf, erlaubt die Ortung und einfache Fehlersuche, die Analyse, daneben auch Datenschutz, Skalierbarkeit und Betriebsbereitschaft. Auf diese Weise verlagert sich das Servicemodell des Dienstleisters von reaktiv zu proaktiv. Diese Verwendung befindet sich nach Finks Angaben bereits bei einer Servicefirma im Test.

Einsatz für Die Maschine

Da die Reaktionszeit unter 250 Nanosekunden liegt, kann sich Fink viele Bereiche mit koordinierten Aktualisierungen zu einem voreingestellten Zeitpunkt vorstellen, etwa bei einer Flugzeuglandung, die zu früh erfolgt ist. Dann steht das Gate schon bereit, statt Wartezeit zu verursachen.

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Ein Bereich, der immer wichtiger wird, ist die Bildersuche, nicht nur in sozialen Netzwerken, in den Medien, sondern etwa auch in der Krebsforschung und der Genomik, wenn Genom-Analysen zu vergleichen sind. Genetische Fingerabdrücke lassen sich dann in Sekundenschnelle vergleichen.

Denn The Machine soll vor allem Ähnlichkeiten suchen. Bei einem Demo-Durchlauf A auf Festplatte und In-memory wurden 4 Mio. Bilder in 1,6 s durchsucht; im Demo-Durchlauf B wurden mit The Machine 18 Mio. Bilder in 122 ms durchsucht, also um mehr als den Faktor 10 schneller.

Die HP-Agenda für The Machine

Die HP Labs haben noch einen Berg von Arbeit zu bewältigen, bevor Produkte zu sehen sind, aber ihr Projekt erhält immer mehr Zulauf. Auf der jeweiligen Hardware-Plattform ist das Machine OS bereitzustellen. (Zeitleiste siehe: Abbildung 4)

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Parallel zu Machine OS arbeiten zwei Teams an der Anpassung von Linux und von Android. Die gesamte Betriebssystem-Software soll der Opensource-Gemeinde zur Verfügung gestellt werden. HP ist Mitglied des OpenStack-Forums. OpenStack wiederum ist die Basis für die Cloud-Plattform „HP Helion“. Folglich wird The Machine in Helion eingegliedert und darüber den Entwicklern bereitgestellt.

Hinzu kommen das Node-Management, die Algorithmen und schließlich die Software. Der erste Einsatzbereich ist wie erwähnt die Visualisierung, aber auch die Analytik. In diesem Bereich verfügt HP mit der Big-Data-Plattform „Haven“ über ein großes Framework, das praktisch nur auf die Beschleunigung durch The Machine wartet.

Public Beta ab 2017

So könnte etwa die vorhandene Haven-Anwendung für IT Operations Management von The Machine profitieren. Intern wird die Technik bereits dazu genutzt, die Website energiesparend zu betreiben und die Zahl der Rechenzentren zu reduzieren. Außerdem nutzen bereits andere Entwicklungsprojekte die bisherigen Ergebnisse, darunter eine System-Management-Software namens „Loom“ und ein Transaktions-Management-System auf Hadoop namens „Trafonium”.

Erst für 2017 stellt HP eine Public Beta mit Mustern von Endpunktgeräten in Aussicht. Nicht vor 2018 sei mit Auslieferungen von Geräten in großer Menge zu rechnen – seitens HPs wie auch OEMs, sagte Fink. Bis dahin würden The Machine OS als Entwicklungsplattform ebenso wie Simulatoren für Android OS und andere Betriebssysteme veröffentlicht.

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