IBM General Parallel File System

General Parallel File System (GPFS) の解説

General Parallel File System（GPFS）は、IBMが開発した大規模クラスターコンピューティング環境に最適化された分散ファイルシステムです。世界最速のスーパーコンピュータをランキングするTOP500リストに掲載されている多くのシステムで採用されており、その高い性能と信頼性から、大規模データ処理や科学技術計算といった高度な用途で広く利用されています。

GPFSの主要機能と特徴

GPFSは、多数のノード（コンピュータ）から構成されるクラスター環境において、膨大な量のデータを効率的に管理・アクセスすることを可能にします。その特徴として以下の点が挙げられます。

並列データアクセス: 複数のノードが同時にファイルデータにアクセスできるため、処理速度の大幅な向上を実現します。
データストライピング: ファイルデータを複数のディスクに分散して保存することで、データアクセス速度の向上とディスク障害に対する耐性を高めます。GPFSは独自のストライピング機構を持ち、Logical Volume Manager (LVM) を必要としません。通常、ブロックサイズは256KBですが、16KBから1MBまで設定可能です。データの読み込み時には、複数のディスクから並列でデータをプリフェッチし、バッファに蓄積します。書き込み時も同様で、バッファに蓄積されたデータを複数のディスクに並列で書き戻します。これにより、ファイルアクセス速度は各ディスクの帯域幅の合計、またはインターコネクトの帯域幅によって制限されます。
分散ロック機構: POSIXセマンティックス準拠の分散ロック機構により、複数のプロセスが同時に同じファイルにアクセスした場合でもデータの一貫性を保ちます。グローバルロックマネージャとローカルロックマネージャの協調動作により、ファイルへの排他制御を効率的に行います。一度ロックトークンを獲得したノードは、繰り返し同じファイルにアクセスする場合、ロックトークンを再取得する必要がなく、オーバーヘッドを削減できます。また、この機構はキャッシュの一貫性維持にも貢献します。
高い可用性と信頼性: 冗長化機構により、ハードウェア障害発生時でもシステム全体の稼働を維持します。
多様なOS環境への対応: AIX、Linux、Windows Serverといった様々なOS環境で動作するため、柔軟なシステム構築が可能です。
管理ツールの提供: GPFSクラスターの管理を容易にするためのツールが提供されています。リモートからのファイルシステム共有アクセスも可能です。

GPFSのアーキテクチャ

GPFSは、多数のノードが並列にファイルデータとメタデータにアクセスできるよう設計されています。メタデータはファイルの属性情報（ファイル名、サイズ、位置など）を格納しており、GPFSはこれを効率的に管理することで、高速なファイルアクセスを実現しています。アロケーションマップは、ファイルデータがどのディスクにどのように保存されているかを管理する重要な役割を果たしています。

GPFSの実績

ASC Purpleスーパーコンピュータは、12,000以上のプロセッサと11,000以上のディスク、合計2ペタバイトのディスク容量を持つ大規模システムでGPFSを採用しています。これはGPFSのスケーラビリティと高い性能を示す一例です。

まとめ

GPFSは、大規模クラスター環境における高性能・高信頼性なファイルシステムとして、多くの実績を持つ確かな技術です。その並列データアクセス機能、堅牢な分散ロック機構、そして様々なOS環境への対応は、現代の高度なコンピューティング環境において重要な役割を果たしています。今後も、大規模データ処理や高性能計算の分野において、GPFSは重要な役割を担っていくでしょう。

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