了解叢集(Cluster)、叢集運算(Cluster Computing)與分散式運算

「叢集（Cluster）」意指使用多部小型電腦，透過區域網路或廣域網路「合體」成為較大型的分散式運算架構電腦。叢集通常強調使用標準化的伺服器、工作站或個人電腦產品，和普及化的網路連結。部署叢集，通常是為了提高單台電腦效能和可用性，叢集的成本效益大多優於同等級的大型電腦。以超級電腦指標Top 500為例，超過50%都是叢集系統，這就是最好的實際佐證。

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《技嘉小百科，告訴你分散式運算是什麼》
《常聽別人說運算叢集，你知道那是什麼嗎？》

為什麼需要叢集？原因很簡單，「分而治之」是很實用的策略，對電腦技術也是。早期的電腦只有單一處理器，所有工作以電腦基礎語言「指令」為單位，細分成一連串的基本運算，然後單顆處理器「循序」，一個一個處理指令。

但是，處理器的時脈和功耗有限，不可能只靠加快電子信號傳輸速度，或擴充單一處理器的運算單元規模，就可無限提升單一處理器的運算效能。因此，電腦科學中出現「平行性」的概念，可利用「多顆處理器」或「多台電腦」，同時完成「單一工作不同部份」或「幾件不同工作」。

叢集就是一種「平行性」技術的應用，在運算過程中，有助於有效處理平行事件，蘊含大幅提升資料處理器速度和解決大規模問題的應用潛力，一直是產業界和學術界的熱門焦點。

「平行性」這個概念的大傘下，又包含「平行運算」和「分散式運算」兩種概念。基於運算節點的運作獨立性，及節點之間的資料互動性，概念上偏向多處理器的平行運算，和偏向多台電腦的分散式運算（包含叢集運算），其精確定義確實存在些微的差別，但兩個概念往往可以彼此互換，其相關應用，也早已深入我們的日常生活。

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《技嘉小百科，告訴你平行運算是什麼》
《常聽別人說節點，你知道那是什麼嗎？》

叢集運算是分散式運算一種，而典型的分散式運算場景，包括「網路搜尋功能」：當使用者輸入關鍵字後，任務就被派發到儲存所有關鍵字的分散式節點，每個節點上的搜尋過程都是獨立的，過程中無須互相通信，完成後將結果彙整成展示給使用者的網址列表。反之，平行運算需要在計算過程中，多個任務之間產生頻繁的資料互動，多處理器環境和使用圖形處理器(GPU)支援中央處理器(CPU)，就是常見的案例。《詞彙學習：花你一分鐘，一次看懂圖形處理器》

分散式運算的大傘下，又包含叢集、點對點P2P (Peer-to-Peer)、網格計算，等等。這篇文章的重點，專注於叢集運算的發展與應用。《詞彙學習：技嘉小百科，告訴你網格計算是什麼》

為何會出現以「多台電腦」為基礎的分散式運算，例如由大量較小型的單一系統，透過網路組成的叢集？因為共享記憶體架構的多處理器系統，其記憶體有效頻寬難以配合處理器數量線性成長；而處理器之間的延遲，更是限制其擴充性的一大瓶頸。換言之，在單一系統內，使用更多處理器無法保證減少完成某項計算的時間，更可能得不償失，進而失去足夠的經濟效益與投資報酬率。《詞彙學習：常聽別人說可擴充性，你知道那是什麼嗎？》

效能以外，「高可靠度」和「高可用性」也是單台多處理器電腦難以滿足的需求。當雞蛋都放在同一個籃子裡，就會覆巢之下無完卵，而歷史教訓證明，再好的硬體（如大型商用主機）也難以抵抗有瑕疵的軟體（如有問題的裝置驅動程式），分散風險仍有其必要性，即叢集運算的來源。《詞彙學習：花你一分鐘，一次看懂高可用性》

原始概念誕生於六零年代的叢集，最初並非由特定廠商發明，而是出自於無法在同一台電腦上完成所有工作、或需要備份的終端客戶。不過，自從八零年代至今，個人電腦與區域網路的快速發展，如高效能泛用處理器、區域網路規範、標準化的訊息傳送應用程式界面、高密度伺服器的崛起，及開源作業系統的普及，讓多重處理器運算節點組成的叢集環境，成為邁向高效能運算 (HPC)、高可用性 (HA)、及負載平衡 (Load Balancing) 的顯學。

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順便一提，另一個經常和叢集相提並論的「網格計算」，究竟兩者有何不同？一般來說，叢集運算在區域網路中，連結多台同質電腦，並利用「平行性」技術的優勢，加速解決問題，共同達成單一目標。網格計算則著重於跨區域網路的大規模資源共享，動態整合分散各地的電腦或叢集系統，提高整體資源使用率。

歷史上第一台商業叢集系統是六零年代中期的Burroughs B5700，由四台內建一到兩個處理器的電腦，緊密連接到一個共用磁碟儲存系統，以平衡工作負載，每台電腦都可在不中斷執行的情況下重新啟動。後來陸續問世的商業叢集系統，進一步支援平行運算和共享檔案系統，也逐步應用在超級電腦領域。

叢集環境的複雜程度可能有很大差距，其中較簡單的架構，可能只是連接兩台電腦的雙節點系統。根據不同目的的叢集組態，從一般用途的企業需求，到運算密集的科學計算，都可分別實現高可用性、負載平衡與高效能等屬性；也因此，叢集可依據功能的差異，分成這三種類型：高可用性叢集、負載平衡叢集、高效能運算叢集。

當叢集中有某個節點失效時，任務會自動轉移到其他運作正常的節點，而將叢集中某些節點進行離線維護後再重新上線，也不會影響整個叢集運作。

俗語說的好，「不患寡而患不均」，有效分配工作對電腦也同樣重要，藉由一個或多個前端負載平衡器，將工作負載分發到後端的節點，就如網站伺服器叢集，是將不同的查詢分配給不同節點，以提供更短的反應時間。負載平衡方法在不同應用程式之間有很大差異，一般來說，高可用性叢集與負載平衡叢集會應用到類似的技術原理，同時兼具兩種特點，像知名的Linux虛擬伺服器 (LVS) 專案，就提供了這些功能。

起源於使用個人電腦硬體組裝以達最優性價比的Beowulf叢集，主要應用在科學計算領域，執行特定的程式，發揮巨大的平行運算能力，特別適合在各個計算節點之間產生大量資料通訊的運算工作，也須搭配高效率的訊息傳送應用程式界面 (MPI, Message Passing Interface)。如何讓訊息傳送應用程式介面自動判斷叢集內的網路種類、連結網路拓樸和運算節點內的架構細節，依據整體環境的頻寬與延遲，進行應用程式最佳化，也是所有以叢集架構為基礎的超級電腦的技術重心。

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《技嘉科技指南系列文章：什麼是HPC高效能運算？》

叢集運算架構並非只包含負責運算工作的節點；如同企業的資料中心或伺服器農場，系統維護管理服務、完整的分散式檔案系統、完善的後端儲存架構，均缺一不可。

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《花你一分鐘，一次看懂資料中心》
《技嘉小百科，告訴你伺服器農場是什麼》

技嘉科技長期跟隨技術脈動，並持續觀察市場，很早開始進行叢集運算系統的產品規劃與部署，並提供各種適用於不同架構與叢集節點的伺服器產品，讓客戶擁有更具彈性的選擇。若需管理多數節點，依照需求增減系統數量或調整系統能力（所謂垂直或水平擴充），協助系統管理者掌握整個叢集，也可以與技嘉接洽，了解技嘉所提供的各種解決方案。

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《常聽別人說垂直擴充，你知道那是什麼嗎？》
《花你一分鐘，一次看懂水平擴充》

以下介紹適合用來進行叢集運算的技嘉伺服器產品，及各款伺服器的適用範圍：

H系列高密度伺服器與G系列GPU協同運算伺服器，具備領先業界的超高密度結構設計，搭載效能強大的Intel® Xeon®可擴充處理器或AMD EPYC™處理器，並且能支援不同類型的通用圖形處理器(GPGPU)加速卡，適合扮演叢集運算中的控制節點。

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《關於技嘉H系列高密度伺服器產品的更多介紹》
《關於技嘉G系列GPU協同運算伺服器產品的更多介紹》
《詞彙學習：技嘉小百科，告訴你通用圖形處理器是什麼》

如同控制節點，運算節點講究處理器效能。除了高密度伺服器和GPU協同運算伺服器之外，技嘉亦推出W系列塔式伺服器（工作站）產品，具有獨立機殼，方便IT管理者依照需求的變化，擴充或改變伺服器安裝位置。

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《關於技嘉W系列工作站產品的更多介紹》
《詞彙學習：常聽別人說IT，你知道那是什麼嗎？》

技嘉推薦通用型R系列機架式伺服器，提供優質運算效能和可靠程度，滿足您的企業需求，此系列伺服器可支援Ethernet、InfiniBand或Omni-Path等多種網路架構。

技嘉S系列儲存伺服器，支援高達60個伺服器硬碟槽的企業級大容量硬碟，並可搭載軟體定義儲存等虛擬化儲存系統，幫您滿足性能、容量、成本等各方面的需求。

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《關於技嘉R系列機架伺服器產品的更多介紹》
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技嘉全系列伺服器產品，皆可搭配技嘉獨有的「技嘉伺服器管理套件」 (GSM) ，這是一套能讓用戶透過網路進行大量伺服器即時管理的軟體套件，可從技嘉官方網站免費下載。GSM支援Windows和Linux作業環境，包含提供全方位系統管理功能的許多套件，包括GSM Server資料彙整平台，讓IT人員透過網路進行遠端、即時的大量伺服器管理；GSM CLI資料彙整平台，讓IT人員藉由命令行輸入操作，進行遠端管理；GSM Agent，透過作業系統來檢索每台系統及裝置的資訊；GSM Mobile行動裝置App，提供方便、即時的系統資訊彙報；以及GSM Plugin，這是支援VMware軟體的應用程式介面，讓用戶能透過VMware vCenter進行伺服器硬體的即時監控與管理。

技嘉科技提供完整的伺服器解決方案，提供給您更具選擇彈性和更高成本效益的叢集運算系統。技嘉可協助您的企業進行數位轉型，導入叢集運算技術，共創價值。如果希望進一步了解叢集，觀迎您透過marketing@gigacomputing.com電子信箱聯絡技嘉科技業務窗口，我們將協助您挑選適合您的解決方案。

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《技嘉科技指南系列文章：如何挑選適當的伺服器冷卻方案？》