NASAn ilmastosimulaatiokeskus

Beowulf Cluster Computing valittiin 7. huhtikuuta 2022 Space Technology Hall of Fameen 37. vuotuisessa avaruussymposiumissa, jota isännöi Space Foundation Colorado Springsissä, Coloradossa. Hall of fame:n ilmoitettu tarkoitus on "tunnustaa maailmanlaajuisista avaruusohjelmista nousevat elämää muuttavat teknologiat; kunnioittaa vastuussa olevia tiedemiehiä, insinöörejä ja keksijöitä; ja tiedottaa yleisölle näiden tekniikoiden tärkeydestä avaruustutkimuksen investoinnin tuotona."

Perehdytysseremonian aikana tietotekniikan tutkijat James Fischer, NASAn Earth and Space Sciences (ESS) -projektin entinen projektipäällikkö, ja Thomas Sterling, entinen ESS-arvioinnin koordinaattori, saivat tunnustusta ja kunniaa avainrooleistaan ​​ensimmäisen Beowulfin kehittämisessä. tietokoneklusteri NASA Goddard Space Flight Centerissä vuonna 1994. NASA ESS -projekti oli osa NASAn High-Performance Computing and Communications (HPCC) -ohjelmaa. Fischer oli mukana NASA Goddardin korkean suorituskyvyn tietokonearkkitehtuuritutkimuksessa vuosikymmeniä, ja Sterling liittyi tiimiin vuonna 1992 auttaakseen NASA:n tutkijoita käyttämään paremmin projektin innovatiivisia rinnakkaistietokonearkkitehtuureja. Beowulf-tietokoneklusteri oli suuri läpimurto ESS-projektitiimille: se loi uuden standardin skaalautuvalle rinnakkaislaskentalle käyttämällä halpoja, verkkoon kytkettyjä henkilökohtaisia ​​tietokoneita.

Mike Little, pitkäaikainen NASAn tietokonejärjestelmien asiantuntija, joka työskenteli NASAn päämajassa (HQ) 1990-luvulla ja johti eri osaa viraston superlaskentaohjelmasta Code R:ssä (entinen tutkimus- ja suunnitteluosasto), muistutti, että hän oli tiennyt Fischerin ja Sterlingin työstä ja osallistui NASAn pääkonttorin HPCC-ohjelman tarkasteluihin. Little muisteli: "Olin erittäin tietoinen ja innoissani siitä, mitä he tekivät ESS-projektissa."

Little huomautti ESS-projektin elämää muuttavan vaikutuksen: "Beowulf-tietokoneklusteri oli NASA:n läpimurto, joka mahdollisti monia muita innovaatioita, mukaan lukien tarkat, tietoihin perustuvat numeeriset sääennusteet ja lentokoneiden suunnittelun kehitys ilman tuulitunnelien käyttöä. Lähes kaikki muut tieteen, matematiikan ja biologian alat hyötyvät edelleen tästä uraauurtavasta työstä."

Mikä oli kuitenkin NASAn alkuperäinen sysäys kehittää nopeampia tietokoneita? Mitkä olivat ne tekniset ja yhteiskunnalliset ympäristöt, jotka vauhdittivat näitä innovaatioita? Jim Fischerin mukaan se on tarina, joka ulottuu aina 1950-luvun puolivälin avaruuskilpailuun, jolloin Yhdysvallat ja entinen Neuvostoliitto kilpailivat hallitsevasta asemasta ohjustekniikassa ja avaruuslentokyvyssä historiallisen kylmän sodan aikana.

Vuonna 1955 Eisenhowerin hallinto ilmoitti julkisesti aikeestaan ​​lähettää amerikkalainen tieteellinen satelliitti kiertoradalle kansainvälisen geofysikaalisen vuoden (IGY) aikana, joka kesti heinäkuusta 1957 joulukuuhun 1958. Tämä yhteistyöhön perustuva, globaali tieteellinen tutkimustyö oli suunniteltu tutkimaan useita maantieteellisiä ilmiöitä, kerää tietoa ja jakaa tutkimustuloksia kymmenien osallistuvien maiden kesken. Useita World Data Centeriä perustettiin myös tallentamaan jaettuja IGY-tietoja. IGY:n tutkimusten merkittäviä tuloksia ovat levytektonisen teorian vahvistaminen, napatutkimus, Van Allenin säteilyvyöhykkeiden löytäminen Maan magnetosfäärissä ja tieteellisten satelliittien kehittäminen.

Sen jälkeen kun Neuvostoliitto laukaisi onnistuneesti ensimmäisen Sputnik-satelliitin lokakuussa 1957 ja saavutti tuon avaruuslentojen virstanpylvään ennen kuin Yhdysvallat ehti, alkoi niin sanottu "Sputnik-kriisi" ja järkyttävä käsitys, että Yhdysvallat on jäänyt jälkeen Neuvostoliitosta tekniikan ja tieteen koulutuksessa. Vastauksena Yhdysvaltain hallitus kaksinkertaisti ponnistelunsa avaruuslentojen edistämiseksi.

Yhdysvaltain kongressi hyväksyi nopeasti vuoden 1958 kansallisen ilmailu- ja avaruuslain, ja Sputnikin kriisistä syntyi kaksi uutta valtion virastoa: siviililähtöinen kansallinen ilmailu- ja avaruushallinto (NASA) ja sotilaallinen puolustusalan edistynyt tutkimus Projektivirasto (DARPA). NASAsta tuli edeltäjänsä, entisen kansallisen ilmailun neuvoa-antavan komitean (NACA) seuraaja. Se on vuonna 1915 perustettu siviiliryhmä, jonka tarkoituksena oli saada kiinni silloisen ylivertaisen eurooppalaisen ilmailutekniikan kanssa ensimmäisen maailmansodan aikana. NACA:n presidentiksi nimitetty komitea, johon kuului uraauurtava lentäjä Orville Wright, perusti Langley Research Centerin (LaRC) Hamptoniin Virginiaan vuonna 1920 ja alkoi rakentaa sarjaa tuulitunneleita testatakseen uusia lentokoneita, klassinen esimerkki kaupallisista ja julkisista eduista. NASAn johdetuista teknologioista.

Toukokuussa 1959 NASA perusti ensimmäisen avaruuslentolaitoksensa Greenbeltiin, Marylandiin, Goddardin avaruuslentokeskukseen. Yhdysvaltain laivaston tutkimuslaboratorio oli kehittänyt Project Vanguardin tavoitteenaan laukaista tieteellinen satelliitti IGY:n aikana käyttämällä 3-vaiheista Vanguard-rakettia ja seurata avaruusalusta. Sputnikin laukaisun jälkeen Project Vanguardin NRL:n henkilökunta siirrettiin Washington D.C.:n laboratoriosta NASA Goddardiin. Vanguard-projektia johti sitten NASA, ja satelliittihenkilöstöstä tuli ensimmäiset asukkaat uudessa NASA-laitoksessa.

Kolme yhdestätoista Vanguard-satelliitin laukaisusta onnistui, mukaan lukien viimeinen syyskuussa 1959 laukaistu satelliitti, Vanguard III. Laivalla oli neljä erillistä koetta, jotka mittasivat Maan magneettikenttää; Auringon röntgensäteilyt; yläilmakehän tiheydet; ja mikrometeoriittien vaikutus pienen (halkaisijaltaan 50,8 cm) avaruusaluksen ulkokuoreen. Vanguard III -satelliitti on edelleen Maan kiertoradalla 62 vuoden jälkeen ja saattaa jatkaa kiertämistä vielä 200 vuotta.

NASA Goddardin varhainen tietokonetutkimus oli vastaus 1900-luvun puolivälin avaruuskilpailuun. Entinen NRL Project Vanguard -johtaja Jack Townsend tuli NASA Goddardin avaruustieteen ja satelliittisovellusten apulaisjohtajaksi, ja David Schaefer, fyysikko, joka oli osa alkuperäistä NRL-tiimiä, joka työskenteli Vanguard-satelliittien telemetriajärjestelmän parissa, siirtyi NRL:stä NASA:lle. samaan aikaan.

Schaefer oli magneettivahvistimien asiantuntija. NRL:ssä hän kehitti Radiotelemetrian Project Vanguard -satelliitteja varten, mikä mahdollisti mikrometeoriittien iskemien määrän lähettämisen reaaliajassa takaisin maan päällä oleviin vastaanottimiin. NASA Goddardissa Schaefer otti tehtävän kehittää avaruuslaskentaa.

Jokaisen NASA Goddardissa kehitetyn satelliitin myötä sisäistä tietojenkäsittelyä lisättiin vähitellen, ja Schaefer lensi ensimmäistä transistoria ja ensimmäistä integroitua piiriä avaruudessa. Fischer muistutti, että "onboard-computing -lisäyksestä tuli jotain, jota tutkijat arvostivat, koska jos heillä olisi jonkinlaista älykkyyttä mukana, he voisivat saada enemmän tieteellistä dataa takaisin työskentelemällä laskenta-ihmisten kanssa." Ajan myötä Schäferin huomio laajeni parantamaan myös sen ajan maanpäällisten tietokoneiden kykyä kaapata jokaisen uuden satelliitin lähettämiä tieteellisiä tietoja.

Varhainen tiedonsiirtonopeus oli yksi bitti sekunnissa, mutta kun datanopeus nousi 1970-luvulla, NASA Goddardissa tietoja alkoi kerääntyä valtaviin huoneisiin, jotka olivat täynnä pyöreitä tallennusnauhoja, jotka piti indeksoida, asentaa ja pyytää pääsyä. . Koko prosessi oli tehoton, aikaa vievä ja kallis. 1970-luvulla NASA:n johtajat odottivat, että uusia, maapalloa havainnoivia Landsat-satelliitteja varten tarvitaan huomattavasti suurempia laskevan siirtotien nopeuksia. Koska Landsat-satelliitit tuottavat täydellisen kuvan maan pinnasta hieman yli kahdessa viikossa, tiedon määrän kasvu vaati tehokkaampaa tiedonsiirtoa sekä nopeampia ja tehokkaampia laskentaominaisuuksia. NASAn täytyi keksiä uusi tapa suorittaa enemmän sisäistä tietojenkäsittelyä tai jollakin tavalla vähentää satelliittien keräämien tietojen määrää.

Nämä tarpeet mielessään ja Landsat Missionin tarpeita vastaavan rahoitusvirran ansiosta Dave Schaefer johti tiiminsä kehittämään massiivisesti rinnakkaisprosessorin (MPP), joka on ensimmäinen laatuaan. Hän palkkasi Jim Fischerin vuonna 1974 kehittämään ideoita MPP:n toteuttamiseksi. Vuonna 1978 George Rumney, joka työskentelee nyt NASAn ilmastosimulaatiokeskuksessa (NCCS), tuli koneeseen työskentelemään MPP:n ohjelmiston parissa. Kun Schaefer jäi eläkkeelle vuonna 1981, Fischeristä tuli joukkueen johtaja. Massiivinen rinnakkaislaskenta sai NASAn tiedeyhteisön kiinni, ja sen kaupallistavat yritykset, kuten Digital Equipment Corporation ja MasPar Computer Corporation. Goddardin onnistunut MasPar-tietokoneen käyttö sijoitti tiimin johtavaan rooliin HPCC-ohjelman ESS-projektissa vuodesta 1992 alkaen.

Yksi ​​ESS:n teknisistä tavoitteista oli kehittää massiivisesti rinnakkainen työasema Goddardin tutkijoiden käyttöön. Tätä tavoitetta silmällä pitäen Sterling keksi idean yhdistää äskettäin saatavilla oleva avoimen lähdekoodin Linux-käyttöjärjestelmä huippuluokan henkilökohtaisiin tietokoneisiin ja verkkokäyttöön tarkoitettuihin Ethernet-kaapeleihin integroimalla nämä tekniikat Beowulf-nimettyihin tietokoneklustereihin. Sterling toi Don Beckerin kyytiin auttamaan projektia, koska Becker oli Linux-guru, joka oli kehittänyt hyödyllisiä Ethernet-ajureita ja pystyi integroimaan Beowulfin prototyypin. ESS:n järjestelmäohjelmistojen johtaja John Dorband omaksui tämän uuden idean, ja hän alkoi löytää sille sovelluksia ESS:n tieteellisten tutkijoiden verkostosta.

NASA:n tietokonejärjestelmäinsinööri Mike Little, joka Fischerin ja Schaeferin tavoin on ollut mukana huippuluokan tietojenkäsittelyssä useiden vuosikymmenien ajan, huomautti ensimmäisen Beowulf-tietokoneklusterin vaikutuksesta ja näiden tekniikoiden merkityksestä sijoitetun pääoman tuottona. avaruustutkimuksessa: "1990-luvun alussa NASAn kasvaessa riippuvaiseksi supertietokoneista fysiikkaan perustuvien mallien luomiseksi, resoluutio tuli yhä tärkeämmäksi." Näiden mallien käyttämiseksi tarvittiin suurempia vektorisupertietokoneita, mutta niiden korkeat kustannukset rajoittivat viraston varaa. Beowulf-lähestymistapa tarjosi vertailukelpoisen suorituskyvyn, mutta se oli kymmenen kertaa halvempi.

NASA Goddardin ESS-projektitiimin keksimä Beowulf-tietokoneklusteri on nykypäivän huippuluokan tietokonejärjestelmien perusta. Alkuperäinen Beowulf oli uusi malli, joka mahdollisti massiivisten tietojoukkojen tehokkaan tallennuksen ja haun sekä skaalautuvan rinnakkaislaskennan, ja asetti NASAlle uuden standardin uusien teknologioiden kokeelliselle integroimiselle laskennallisen tutkimuksen nopeuttamiseksi ja tieteellisten tietokokonaisuuksien jatkuvasti muuttuvaan mittakaavaan mukautumiseksi. Suhteellisen pienellä projektirahoituksella ja suurella kekseliäisyydellä, intohimolla ja luovuudella NASA Goddard -tiimin palkittu projekti, joka on nyt valittu avaruusteknologian Hall of Fameen, vauhditti maailmanlaajuista siirtymistä pois kalliista, patentoiduista supertietokonejärjestelmistä ja kohti käyttöönottoa. PC-klustereita ja avoimen lähdekoodin ohjelmistoja tiedeyhteisöltä.

Tieteelliseen tutkimukseen kohdistuvan vaikutuksen lisäksi tämän NASA Goddardin klusterilaskennan vallankumouksen eduilla on suora, päivittäinen vaikutus Maan ja sen asukkaiden elämään, kun huippuluokan tietojenkäsittely jatkaa kokeiluja, kehitystä ja mahdollistaa tarkan , monimutkaisia, yksityiskohtaisia ​​maapallon järjestelmämalleja, joita käytetään ymmärtämään ja ennustamaan tärkeitä ilmiöitä, kuten arktisen alueen vahvistuminen, myrskyjärjestelmät, otsonin ilmasto, auringonpurkaukset ja ilmastotiede.

Aiheeseen liittyvät linkit

Sean Keefe, NASA Goddard Space Flight Center
13. toukokuuta 2022