Ферма рендеринга: решение для ограниченного бюджета

Специализированные вычислительные массивы, предназначенные для моделирования трехмерных объектов, считаются весьма дорогими и сложными устройствами, создание которых под силу только разработчикам мирового уровня. Украинские специалисты опровергли это мнение, предложив ферму рендеринга, предназначенную для нужд малобюджетных студий и обладающую хорошей мощностью.

Историческая справка

Уже в 1994 г. компания Pixar столкнулась с явной нехваткой вычислительных мощностей при создании первого полнометражного анимационного фильма «Игрушечная история».

Применявшаяся ею рабочая станция SGI Indigo2 на базе процессора MIPS R4400 с частотой 150 MHz и 64 МB оперативной памяти на то время считалась одной из самых мощных, позволяя осуществлять финальный просчет одного кадра сцены за 2,5 часа. Было подсчитано, что для завершения работ над проектом, содержащим более 1500 сцен, при использовании одной такой станции понадобилось бы около 65 лет.

Выходом из ситуации стало создание мощного комплекса централизованной обработки данных, получившего название «ферма рендеринга» (Render Farm), с помощью которого время обработки сократилось до приемлемой величины. Впоследствии такие системы стали неотъемлемой частью любой дизайнерской студии, к тому же их использование оказалось целесообразным не только в мультипликации и киноиндустрии, но и в сферах проектирования, прогнозирования и моделирования – везде, где требуется расчет сложных трехмерных сцен и объектов.

Кому это выгодно и сколько это стоит?

Разумеется, без применения систем, содержащих сотни вычислительных узлов, невозможно было бы создание «Звездных Войн» и «Властелина Колец», но ведь и бюджеты голливудских блокбастеров и продуктов отечественной теле- и киноиндустрии несравнимы. Однако это не значит, что украинские студии лишены возможности пользоваться благами цивилизации или обречены на поиск спонсоров, готовых вложить крупные суммы в разрабатываемый проект.

Готовая система обработки данных весьма компактна, что позволяет разместить ее на небольшой площади без оборудования специального помещения. Вычислительные ресурсы системы базируются на однотипных серверных модулях, каждый из которых может быть заменен без прекращения функционирования всего комплекса

Разумеется, наибольший интерес для нашего региона представляют решения, позволяющие получить максимальную производительность при минимальном бюджете. Как правило, в итоге приобретается некоторое количество мощных рабочих станций. Такой подход, конечно, относительно прост и дешев, но все же неоптимален.

Прежде всего стоит учесть, что оператору при создании сцены требуется выполнить ряд последовательных действий. Их можно разделить на два этапа: на первом из них, творческом, происходит собственно разработка сцены при непосредственном участии оператора, а на втором – рендеринг, не предполагающий вмешательства до окончания процесса. Очевидно, что второй этап занимает все ресурсы вычислительной системы, и использование ее для других задач в это время не представляется возможным. Если же операция обработки предусматривает участие всех рабочих станций, то возникает дополнительная нагрузка на локальную сеть, исключающая ее использование для других целей. В итоге «простое» решение не только оказывается «непростым», но и обладает массой недостатков: невысокой эффективностью, низкой надежностью и высокой стоимостью обслуживания. Вот почему приобретение рендеринг-фермы с целью «конвейеризации» производственного цикла часто экономически выгоднее, к тому же оно позволяет сократить сроки работы над проектом и повысить ее эффективность.

Конструкция

Фермы рендеринга напоминают кластеры, хотя по сути таковыми не являются. Фактически вся конструкция состоит из равноправных вычислительных модулей (узлов), каждый из которых рассчитывает свой объем задач. При этом все узлы подключены к общему хранилищу данных посредством локальной сети.

При создании системы перед компанией Entry в первую очередь стояла задача достичь максимальной эффективности при минимальных затратах. В ходе тестирования разных конфигураций было замечено, что двухпроцессорные платформы обеспечивают меньший выигрыш в соотношении цена/производительность, а также снижают общий показатель надежности, поэтому было принято решение использовать однопроцессорные модули.

Не менее важно было требование снизить уровень шума систем охлаждения, поскольку ферма ориентирована на применение в телестудиях и небольших дизайнерских компаниях. Исследования показали, что лучше всего этому параметру соответствуют платформы на базе AMD.

Схема фермы рендеринга, несмотря на свою простоту, допускает широкие возможности для дальнейших модификаций

Рассматриваемая система состоит из десяти однотипных узлов. Каждый из них представляет собой тонкий (1U) однопроцессорный сервер с материнской платой TYAN S2865G2NR Tomcat K8E, процессором AMD Athlon 64 3200+, памятью DDR объемом 512 MB и жестким диском на 80 GB. При этом каждый узел оборудован двумя встроенными сетевыми контроллерами Gigabit Ethernet, с помощью которых подключается в общую сеть обмена данными. Для хранения данных применен накопитель NAS (Network Attached Storage), как наиболее отвечающий требованиям для малобюджетных решений. Он построен на дисках SATA2, максимальный объем – 12 TB. Хранилище такого типа допускает горячую замену дисков, полное удаленное управление и мониторинг через Web-интерфейс. В случае необходимости объем дискового массива может быть увеличен за счет применения носителей большей емкости. Основное назначение этого модуля – размещение текстур, видеороликов, моделей и всего остального медиаконтента, необходимого для общего доступа и проведения операций рендеринга.

Одним из самых интересных моментов стало выяснение необходимых параметров, предъявляемых к сетевой подсистеме. В результате тестов выяснилось, что применение высокоскоростных интерфейсов, построенных на основе Fibre Channel, не требуется. Для обеспечения достаточной производительности системе вполне хватило Gigabit Ethernet, причем в полученной конфигурации даже при пиковых нагрузках сетевой трафик не достигал 80%. Единственное исключение было сделано для дискового массива: его подключение осуществлялось через коммутатор с пропускной способностью 10 Gb.

Чем приправить бочку меда

Получившаяся система, несомненно, обладает целым рядом достоинств, среди которых стоит особо отметить невысокую стоимость, малый уровень шума и практически неограниченную возможность масштабирования. Но, к сожалению, намеренное упрощение схемы построения и применение программного управления нагрузкой на компоненты привело к снижению многих немаловажных показателей – таких, как помехозащищенность ЛВС и отказоустойчивость комплекса.

Основные затраты в таком программно-аппаратном комплексе приходятся не на аппаратные компоненты, а на программные продукты, стоимость которых может на порядок превышать стоимость «железа». При этом качество работы всего комплекса целиком и полностью зависит от управляющего узла. По сути, он равноправен с остальными, но выход его из строя приведет к полной остановке производственного процесса, тогда как прекращение функционирования подчиненного узла потребует всего лишь повторной обработки небольшой части задачи.

Вопрос приобретения подобной системы актуален для компаний, в которых объемы рендеринга начинают превышать возможности рабочих станций операторов, что приводит к длительным простоям и увеличению сроков выполнения работ.

В общем, можно считать, что разработанная система получилась достаточно удачной, несмотря на несколько потенциально узких мест, которые изготовители наверняка учтут в будущем. Надеемся, что изделия такого класса смогут составить серьезную конкуренцию лучшим образцам компаний с мировым именем. Впрочем, здесь уже многое зависит от факторов, не имеющих отношения к производительности и стоимости, – прежде всего от надежности, качества обслуживания и сопровождения.