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Gemeinsam rechnen


LinuxUser - epaper ⋅ Ausgabe 8/2021 vom 22.07.2021

Verteiltes Rechnen

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Bildquelle: LinuxUser, Ausgabe 8/2021

README

Viele Forschungsprojekte benötigen enorme Rechenkapazitäten. Doch teure Supercomputer stehen nicht überall bereit. Durch das Konzept des Distributed Computings helfen Sie der Forschung mit Ihrem Heim-PC, indem Sie Rechenleistung bereitstellen.

Die im Jahr 2019 in China ausgebrochene und seither weltweit verbreitete Corona-Pandemie wirkte sich in fast allen betroffenen Ländern dramatisch aus. Forscher entwickelten daher im Eiltempo Impfstoffe und suchen weiterhin nach Möglichkeiten, um das Virus einzudämmen. Dazu nutzen sie unter anderem komplexe Simulationen, die enorme Rechenleistungen benötigen.

Doch nicht jede Forschungseinrichtung verfügt über modernste Supercomputer. Deswegen gilt es, neue Wege zu beschreiten, um biochemische Prozesse nachzuvollziehen und dadurch neue Ansätze für Therapien zu gewinnen.

Verteiltes Rechnen

Um für anspruchsvolle Forschungsprojekte die nötige ...

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... Rechenpower zu generieren, bietet es sich im Zeitalter leistungsfähiger Personal Computer an, überschüssige Kapazitäten von privaten Rechnern für solche Forschungen zu nutzen. Diese Idee bewog IBM bereits im Jahr 2004, mit dem World Community Grid eine Plattform für verteiltes Rechnen ins Leben zu rufen .

Diese ermöglicht das Distributed Computing auf den Zielrechnern mithilfe einer Client-Software, die nicht genutzte CPU-Zyklen für das jeweilige Forschungsprojekt verwendet. Seit dem Jahr 2005 nutzt das World Community Grid dazu BOINC, eine von der Universität Berkeley entwickelte Software .

BOINC (Akronym für „Berkeley Open Infrastructure for Network Computing“) lässt sich dank der Trennung von Forschungsverwaltung und wissenschaftlichen Inhalten unabhängig für Projekte nutzen und arbeitet daher wesentlich flexibler, als eine an ein bestimmtes Forschungsprojekt gebundene Applikation.

Die Software verteilt dabei voneinander unabhängige Arbeitspakete (Work Units) an die Clients, was es ermöglicht, Computer mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit in die Berechnungen zu integrieren, ohne dass diese das gesamte Projekt ausbremsen.

BOINC gibt es seit 2005 als freie Software für Linux. Der Client nutzt nicht nur die überschüssige Rechenleistung der CPU für das verteilte Rechnen, sondern mithilfe der CUDA-Schnittstelle auch die Leistung einer Nvidia-GPU .

Gegen Corona

Scripps Research mit Sitz in Kalifornien und Zweigstellen in Florida ist eines der weltweit führenden biomedizinischen Forschungsinstitute. An der nicht gewinnorientierten Einrichtung arbeiten mehr als 3000 Wissenschaftler, die sich auf mehrere Institute verteilen. Das zu Scripps Research gehörende Forli Lab beschäftigt sich dabei mit molekularbiologischen Fragestellungen .

Im Rahmen der Initiative „OpenPandemics – Covid-19“ nutzt das Labor in Kooperation mit IBM das World Community Grid, um in aufwendigen Simulationen chemische Komponenten zur Bekämpfung der Erkrankung zu finden . Das Screening der einzelnen Komponenten übernimmt dabei Distributed Computing im World Community Grid.

Los geht’s

Um überschüssige Rechenleistung eines Computers für die Berechnungen der Initiative abzuzweigen, melden Sie sich zunächst im World Community Grid (WCG) an. Dazu reicht es, eine Mail-Adresse und ein Passwort für das Login anzugeben.

Anschließend erhalten Sie eine E-Mail zur Bestätigung, mit der Sie gleichzeitig den Zugang zum WCG verifizieren. Danach installieren Sie mithilfe der Webseite des World Community Grid den BOINC-Client und den dazugehörigen Manager auf Ihrem Computer.

Dazu klicken Sie oben rechts auf der Webseite auf den Link Download und wählen danach im geöffneten Auswahlmenü eines der angebotenen Paketverwaltungssysteme. Zur Auswahl stehen die DEB-Paketverwaltung und RPM-basierte Derivate. Nach entsprechender Anwahl gelangen Sie auf eine Seite mit einer Installationsanleitung. Ein Herunterladen von Paketen findet nicht statt, denn die benötigten Applikationen befinden sich bereits in den Software-Repositories der jeweiligen Distributionen. 

Nach dem Ausführen der in Listing 1 Listing 2 (für DEB-basierte Systeme) oder (für RPM-basierte Derivate) aufgeführten Befehle erscheint nach dem Start der Anwendung der BOINC-Manager. Der BOINC-Client selbst besitzt keine grafische Oberfläche, sondern dient ausschließlich zur Kommunikation mit dem Server.

Im BOINC-Manager öffnet sich ein Dialog mit einem Assistenten, in dem Sie aus einer Liste der Projekte das Open- Pandemics-Projekt über den Eintrag World Community Grid wählen 1 .

Anschließend melden Sie sich mit der Kombination aus Mail-Adresse und dem entsprechenden Passwort beim BOINC- Manager an, die Sie zuvor registriert haben. Im Hauptfenster des Managers starten Sie nun die Berechnungen der Ihnen zugeteilten Daten. Dabei blendet die Software einen Fortschrittsbalken ein und zeigt die benötigte ebenso wie die bereits gewährte Rechenzeit an.

Im oberen Bereich des Fensters sehen Sie das aktive Projekt. Sofern Sie an mehreren Berechnungen teilnehmen, wechseln Sie im entsprechenden Auswahlfeld das Projekt. Nach dem Ausführen aller Aufgaben erscheint vor dem Namen des jeweiligen Projekts ein grüner Punkt.

Ein Klick auf Anhalten unten mittig im Fenster unterbricht die Berechnungen, anstelle des grünen Punkts erscheint ein roter. Mit Fortsetzen starten Sie die Arbeit wieder 2 .

Einstellungen

Der BOINC-Manager teilt in aller Regel die freien Ressourcen Ihres Systems eigenständig ein, sodass der Computer nicht unter der zusätzlichen Arbeit leidet. Dabei bezieht die Applikation eine eventuell vorhandene Grafikkarte des Herstellers Nvidia mit ein.

Sofern Sie eine solche nutzen, müssen Sie nicht die üblicherweise bei CUDA-basierten Anwendungen nötige Unterstützung dieser Schnittstelle von der Webseite des Herstellers herunterladen. BOINC erkennt vielmehr automatisch die GPU und bindet sie in die Berechnungen ein.

AMD-Grafikkarten und ebenso Intel-basierte GPUs integriert die Software dagegen im Moment nicht.

Bei erhöhter Auslastung des Computers durch andere Anwendungen stellt der BOINC-Client seine Arbeit ein. Dabei bleibt der Manager zwar aktiv, es findet in diesem Fall aber keine weitere Berechnung mehr statt. Fällt die Systemlast wieder unter einen vorgegebenen Schwellwert, so nimmt die Applikation automatisch ihre Tätigkeit wieder auf. Dabei strebt das Tool ein ausgewogenes Lastverhalten an 3 .

Zusätzlich integriert der Manager verschiedene Optionen zum Verteilen der Last, die es erlauben, Schwellwerte festzulegen. Sie erreichen die erweiterten Einstellungen über die Menüpunkte Ansicht | Erweiterte Ansicht. Darin nehmen Sie über das Kontextmenü Steuerung Grundeinstellungen zum Grafikprozessor vor.

Das Menü Optionen | Berechnungseinstellungen öffnet einen sehr umfangreichen Dialog zur Feinjustierung der Software. Unter Berechnung läuft legen Sie Leistungseinstellungen fest. Dazu gehören die Schwellwerte für die Auslastung des Systems.

Der Reiter Netzwerk gestattet die Konfiguration der Datenübertragung: Hier legen Sie etwa Up-und Download-Raten fest. Im Reiter täglicher Zeitplan geben Sie zudem an, wann die Software rechnen darf. Dazu legen Sie einen Wochenplan an. Der Zeitplan gliedert sich in zwei Bestandteile: Neben den Zeiten für Berechnungen definieren Sie darin auch Zeiten für die Datenübertragung.

Bei Systemen, die im 24-Stunden-Betrieb arbeiten, verlegen Sie damit die Zeiten für Berechnungen- und Übertragungen auf die Nächte. Nach Abschluss der gewünschten Einstellungen sichern Sie diese durch einen Klick auf Speichern.

Informationen

Die laufenden Statusanzeigen finden Sie ebenfalls in der erweiterten Ansicht des BOINC-Managers. Auch dieses Fenster ist über Reiter strukturiert. In diesem finden Sie im Reiter Nachrichten einen stark vereinfachten Feed-Reader, in dem Sie neueste Informationen zu den einzelnen Projekten mit ihren Schlagwörtern finden.

Links führen auf die jeweiligen Webseiten mit den kompletten Nachrichten.

Der Reiter Projekte führt in tabellarischer Form die von Ihnen gewählten Projekte auf, während Sie unter Aufgaben die jeweiligen Aufgaben im Rahmen des aktiven Projekts vorfinden. Jede diese Aufgaben besitzt eine Statusanzeige, anhand der Fortschrittsbalken erkennen Sie den Fortschritt der Berechnungen der einzelnen Aufgaben. Diese Angaben aktualisiert die Software nahezu in Echtzeit 4 .

Darüber hinaus rufen Sie in den Reitern Übertragung, Statistiken und Festplatte entsprechende Grafiken ab, die sich teils nach einzelnen Leistungskriterien anpassen lassen.

Fazit

Das von IBM ins Leben gerufene World Community Grid erweist sich als innovative Möglichkeit, brachliegende Kapazitäten in den Dienst der Wissenschaft zu stellen. Die dazu verwendete BOINC- Software stellt Einsteiger vor keine Probleme und schließt fehlerhafte Ergebnisse durch falschen Einsatz so gut wie aus.

Das von Forli Lab und Scripps Research ins Leben gerufene Projekt zur Erforschung von Therapiemöglichkeiten gegen das Corona-Virus bietet daher eine ausgezeichnete Gelegenheit, überschüssige Ressourcen sinnvoll zu nutzen. Allerdings sollten Sie bedenken, dass Rechenleistung Strom kostet. (tle)