バーストバッファ

高性能コンピューティング環境において、バーストバッファは、フロントエンドのコンピューティングプロセスとバックエンドのストレージシステムの間に位置する高速な中間ストレージ層です。これは、コンピューティングノードの処理速度とストレージシステムの入出力（I/O）帯域幅との間のパフォーマンスギャップを埋める役割を果たします。バーストバッファは、 NVRAMやSSDなどの高性能ストレージデバイスのアレイで構成されることが多く、通常、バックエンドのストレージシステムよりも1～2桁高いI/O帯域幅を提供します。

バーストバッファは、スーパーコンピュータ上での科学データの移動を高速化します。たとえば、科学アプリケーションのライフサイクルは通常、計算フェーズとI/Oフェーズが交互に繰り返されます。^{[ 1 ]}つまり、各計算ラウンド（計算フェーズ）の後、すべての計算プロセスが同時に中間データをバックエンドストレージシステムに書き込み（I/Oフェーズ）、その後、別の計算ラウンドとデータ移動操作が続きます。バーストバッファを導入すると、プロセスは、低速なハードディスクベースのストレージシステムに書き込む代わりに、1ラウンドの計算後にデータをバーストバッファにすばやく書き込み、データがバックエンドストレージシステムに移動されるのを待たずに、すぐに次の計算ラウンドに進むことができます。^{[ 2 ] [ 3 ]}その後、データは、次の計算ラウンド中にバーストバッファからストレージシステムに非同期的にフラッシュされます。このようにして、データをストレージシステムに移動するために費やされる長いI/O時間は、計算時間の背後に隠されます。さらに、バーストバッファにデータをバッファリングすることで、アプリケーションはバックエンドストレージシステムへのデータトラフィックを再構成し、ストレージシステムの帯域幅を効率的に利用する機会を多く得ることができます。^{[ 4 ] [ 5 ]}また、別の一般的なユースケースとして、科学アプリケーションは、低速なストレージシステムとやり取りすることなく、中間データをバーストバッファに出入りさせることができます。ストレージシステムをバイパスすることで、アプリケーションはバーストバッファからのパフォーマンス上のメリットを最大限に享受できます。^{[ 6 ]}

高性能コンピューティング環境には、ノードローカルバーストバッファとリモート共有バーストバッファという 2 つの代表的なバーストバッファアーキテクチャがあります。ノードローカルバーストバッファアーキテクチャでは、バーストバッファストレージは個々の計算ノードに配置されるため、バーストバッファの総帯域幅は計算ノード数に比例して増加します。このスケーラビリティの利点は、最近の文献で十分に文書化されています。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}また、すべてのバーストバッファに分散されたデータのグローバルネームスペースを維持するためのスケーラブルなメタデータ管理戦略も必要になります。^{[ 11 ] [ 12 ]}リモート共有バーストバッファアーキテクチャでは、バーストバッファストレージは、計算ノードとバックエンドストレージシステムの間に配置された少数の I/O ノードにあります。計算ノードとバーストバッファ間のデータ移動はネットワークを経由する必要があります。バーストバッファを I/O ノードに配置することで、バーストバッファサービスの独立した開発、展開、および保守が容易になります。そのため、DataWarpやInfinite Memory Engineなど、このタイプのバーストバッファを管理するために、いくつかの有名な商用ソフトウェア製品が開発されています。スーパーコンピュータは、計算ノード上のNVRAMや専用I/Oノード上のSSDなど、複数の異種バーストバッファ層で展開されるため、複数のストレージ層間でデータを透過的に移動する必要があります。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

バーストバッファはその重要性から、リーダーシップスケールのスーパーコンピュータに広く導入されています。たとえば、ノードローカルバーストバッファは、サンディエゴスーパーコンピュータセンターのDASHスーパーコンピュータ^{[ 16 ]} 、東京工業大学のツバメスーパーコンピュータ、アルゴンヌ国立研究所のThetaおよびAuroraスーパーコンピュータ、オークリッジ国立研究所のSummitスーパーコンピュータ、ローレンスリバモア国立研究所のSierraスーパーコンピュータなどにインストールされています。リモート共有バーストバッファは、広州国立スーパーコンピュータセンターのTianhe-2スーパーコンピュータ、ロスアラモス国立研究所のTrinityスーパーコンピュータ、ローレンスバークレー国立研究所のCoriスーパーコンピュータ、エジンバラ並列コンピューティングセンターのARCHER2スーパーコンピュータで採用されています。

• Cray DataWarpは 、Crayが開発したプロダクションバーストバッファシステムで、 2017年5月13日にWayback Machineにアーカイブされました。
• Infinite Memory Engineは、 Data Direct Networkによって開発された、本番環境向けのバーストバッファシステムで、 2017年2月16日にWayback Machineにアーカイブされました。
• シータ・スーパーコンピュータは、アルゴンヌ国立研究所に設置されているスーパーコンピュータである。
• サミット・スーパーコンピュータは、オークリッジ国立研究所に設置されているスーパーコンピュータである。
• シエラ・スーパーコンピュータは、ローレンス国立研究所に設置されているスーパーコンピュータである。
• トリニティ・スーパーコンピュータは、ロスアラモス国立研究所に設置されているスーパーコンピュータである。
• Coriスーパーコンピュータは、 ローレンス・バークレー国立研究所に設置されたスーパーコンピュータで、 2017年5月26日にWayback Machineにアーカイブされました。