マルチノードアーキテクチャとは何ですか？
マルチノードアーキテクチャは、ノードと呼ばれる複数の独立したコンピューティングシステムを単一のシャーシ内に統合するサーバ設計です。各ノードは、電源、冷却、管理システムなどの共有インフラを活用しながら、独自のオペレーティングシステムとワークロードを実行できるスタンドアロンサーバーとして機能します。
このアーキテクチャは、スペース、エネルギー効率、スケーラビリティが重要な優先事項である環境で特に有用です。一般的な使用例としては、ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）、ハイパースケール・サーバー、クラウドネイティブ・プラットフォーム、エッジ・デプロイメントなどがあります。
マルチノードアーキテクチャの仕組みと使用例
マルチノードアーキテクチャでは、複数のコンピュートノード（各々がCPU、メモリ、ストレージ、ネットワークを搭載）が単一の共有シャーシに統合されます。サーバケースには、冗長電源、高効率ファン、ネットワーク相互接続用バックプレーンなどの集中コンポーネントが搭載されています。これにより、各ノードは共有インフラストラクチャの恩恵を受けながら独立して動作し、総消費電力と物理的フットプリントを削減することができます。
ほとんどのシステムには、Redfishインターフェースを用いたリモート管理機能（ノード単位または集中管理）が搭載されており、管理者はノード全体の健全性状態の監視、ファームウェア更新の展開、ワークロードの管理が可能となります。PCIe Gen5やInfiniBandなどの高速相互接続技術は、低遅延でノードを接続するために広く採用されており、HPCやAIトレーニングクラスターにおける緊密に結合された並列ワークロードをサポートします。
マルチノードサーバーは、コンテナ化されたマイクロサービス、クラウドネイティブなワークロード、分散データベースなど、スケールアウト性能を必要とするアプリケーションに最適です。このアーキテクチャに基づくシステムは、複数の独立したノードを共有シャーシ内に統合します。このアプローチは、管理を合理化し、ケーブル配線の複雑さを軽減し、共通のサーマルゾーンを通じて冷却効率を向上させるため、データセンターで広く使用されています。
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マルチノードアーキテクチャの主な利点と欠点
マルチノードアーキテクチャにより、効率性と拡張性が大幅に向上します。サーバーを1つの筐体に統合することで、企業はエネルギー使用量とラックスペース要件を削減しながら、計算密度を最大限に高めることができます。電源と冷却インフラを一元化することで、システムの導入を簡素化し、運用上のオーバーヘッドを削減します。さらに、各ノードが独立しているため、仮想化、コンテナ化、ベアメタルなど、さまざまな環境に柔軟にワークロードを割り当てることができます。集中管理ツールにより、単一のインターフェイスからすべてのノードの運用管理と監視がさらに強化されます。
しかし、考慮すべきトレードオフがあります。電源と冷却インフラを共有することで、単一障害点が発生する可能性があり、冗長性で軽減されない場合、複数のノードに影響を与える可能性があります。1つのノードを保守する場合、そのノードの共有環境を考慮する必要があるため、保守やハードウェアのアップグレードが複雑になる可能性があります。さらに、ノードは独立していますが、シャーシの物理的な容量によって拡張が制限される場合があります。また、緊密に結合されたアプリケーションでは、一般的なマルチノードサーバ構成でサポートされているものとは異なる相互接続ソリューションが必要になる場合があるため、企業はワークロードの互換性も評価する必要があります。
シングルノードとマルチノードのアーキテクチャ
シングルノードアーキテクチャとは、CPU、メモリ、ストレージ、ネットワークといったすべての計算リソースがスタンドアロンシステムに統合された従来のサーバーを指します。これらのサーバーは、特定のワークロード向けに最適化されていることが多く、専用の電源と冷却コンポーネントを備えて個別に配備されます。このモデルは、メンテナンスと分離が容易であるため、固有のハードウェア要件を持つアプリケーションや、専用のシステムリソースを必要とするワークロードに適しています。
対照的に、マルチノードアーキテクチャは、複数の独立したサーバーを共有シャーシに統合します。各ノードは自律的に動作しますが、統合されたインフラストラクチャにより、効率性が向上します。この設計は、多数のサーバーにまたがる合理的な管理を優先する環境では、より拡張性が高くなります。ただし、ノードがシャーシレベルのコンポーネントを共有する場合は特に、冗長性とリソースバランシングのための慎重な計画が必要です。
マルチノードアーキテクチャの設計上の考慮点
マルチノードアーキテクチャを導入する場合、いくつかの設計レベルの決定が性能、耐障害性、運用効率に影響します。重要な検討事項の1つは熱管理です。複数のコンピュートノードが共通の筐体を共有するため、サーマルスロットリングを防止するためにエアフローと放熱を最適化する必要があります。熱ゾーンが明確に定義されたシャーシは、特に高密度構成やアクセラレータを使用するシステムにおいて、ノード間で一貫した冷却を維持するのに役立ちます。
冗長計画も同様に重要です。ノードは独立して動作しますが、配電ユニットやファントレイのような共有コンポーネントは、故障の原因となる可能性があります。電源と冷却システムにN+1またはN+Nの冗長性を持たせて設計することで、1つのコンポーネントの故障がシャーシ内のすべてのノードに影響を与えないようにします。
もう1つの考慮点は、ワークロードの配置戦略です。システムアーキテクトは、計算対メモリ比やI/Oニーズなどのリソース要件に基づいて、ワークロードをノードタイプにマッピングする必要があります。これは、ノードの構成がさまざまな混在環境で特に重要です。さらに、シャーシのスケーラビリティの限界を早期に評価する必要があります。
最後に、ネットワーク・インターコネクトのトポロジーは、特にノード間の低レイテンシ通信を必要とするワークロードにおいて、マルチノードのパフォーマンスに重要な役割を果たします。イーサネット、InfiniBand、PCIeベースのトポロジーなど、ファブリック・インターコネクトの適切な組み合わせを選択することで、分散アプリケーションにおいてデータ移動がボトルネックになることはありません。
これらの要素を組み合わせることで、マルチノード展開の価値と信頼性を最大化する上で重要な役割を果たします。
よくあるご質問
- マルチノードとクラスタとは何ですか？
マルチノードシステムとは、複数の独立したサーバーノードが単一の物理シャーシに収容されたハードウェア構成を指します。一方、クラスタとは、シングルノードまたはマルチノードを問わず、連携してタスクを実行する複数のシステムを論理的にグループ化したものです。クラスタがソフトウェアレベルでのワークロード分散と高可用性に重点を置くのに対し、マルチノードアーキテクチャは計算密度と運用効率を高めるハードウェア設計パターンです。 - マルチノードサーバー内のノードで異なるオペレーティングシステムを実行できますか？
はい。マルチノードサーバーの各ノードは完全に独立したシステムであり、独自のオペレーティングシステムを実行できます。このため、同じシャーシ内でオペレーティングシステムを混在させることができ、多様なアプリケーションや開発スタックのサポートが必要な環境で役立ちます。 - マルチノード・アーキテクチャはGPUアクセラレーションをサポートしていますか？
多くのマルチノードプラットフォームはGPUアクセラレータをサポートするように設計されていますが、可用性はシャーシレイアウト、電力容量、冷却能力に依存します。GPUを多用するワークロードに特定のノードを専用に使用するシステムもあれば、GPUリソースがノードごとに割り当てられるモジュール構成をサポートするシステムもあります。 - マルチノードのセットアップにおいて、ライセンシングはどのように機能しますか?
マルチノード環境でのソフトウェアライセンシングは、ベンダーによって異なりますが、通常はノードベースまたはコアベースです。各ノードは独立したサーバーとして機能するので、オペレーティングシステム、ハイパーバイザー、またはアプリケーションのライセンスは通常、ノードごとに必要です。しかし、集中管理ツールは、クラスタ全体のライセンスモデルを提供する場合があります。