12-슈퍼 라즈베리파이(Super Raspberry Pi Computer) 제작 : 물품구입
수학생각(MATHOUGHT)의 모교 파주여고는 2016 제2회 국가슈퍼컴퓨팅 청소년 캠프 공모에 선정, 참여(2016.08.01.~08.05.)하게 되었다. 본 캠프에서 선발된 학생들은 MPI 라이브러리를 이용한 병렬형 슈퍼컴퓨터 제작 원리 및 실습을 배우게 된다. 이 배움의 활용으로 라즈베리파이 4개를 MPI 프로그래밍으로 병렬연결한 슈퍼-라즈베리파이(Super Raspberry Pi Computer)를 실험, 제작해 보고자 한다. 또한, 수학적 알고리즘의 수행을 병렬연산 하여 얼마만큼 수행시간의 단축이 이루어지는지에 대한 벤치마킹을 해 볼 것이다. 이에, 먼저 슈퍼 라즈베리파이 구축을 위한 필요 부품들을 조사, 구입해보기로 한다.
1. 클러스터(Cluster)
'포도와 같은 작은 열매의 송이' 라는 뜻의 어원으로 시작된 클러스터(Cluster)란, 여러 대의 컴퓨터를 고속 LAN으로 연결하여 CPU 관리 시스템 소프트웨어를 탑재하고, 분산처리하는 시스템을 통칭하는말이다. 이러한 클러스터는 사용의 목적에 따라 다양한 용도로 구성할 수 있으며 대표적인 클러스터 사용방식은 아래와 같다.
* 클러스터 노드(node) : 프로세싱 자원을 제공하는 시스템
* 클러스터 관리자(admin) : 각 노드를 서로 연결하여 단일 시스템처럼 보이게 만드는 로직을 제공
1) 부하 분산 클러스터(Load Balancing)
시스템의 전반적인 성능을 향상시키기 위하여 계산의 부하량을 여러개의 노드에서 분담하여 병렬(parallel) 처리하도록 구성하는 방식. 주로 웹서버가 이 방법을 많이 활용하여 서비스로 제공된다.
2) 높은 가용성 클러스터(High Availability)
시스템의 가용성을 높이기 위한 방법으로 하나의 노드에 장애가 발생하였을 때, 다른 노드의 컴퓨터가 서비스를 이어받아(Failover) 계속하여 처리될 수 있도록 구성하는 방식이다.
3) 고성능 클러스터(High Performance)
대규모 수학ㆍ과학 계산을 위한 시스템으로 여러 대의 서버를 네트워크 기반으로 하나로 묶어 MPI와 같은 병렬 API와 병렬화된 코드를 이용하여 대량의 계산을 분산처리하는 방식으로 슈퍼컴퓨터(Super Computer)가 여기에 속한다.
* API(Application Programming Interface) : 운영체제와 응용프로그램 사이의 통신에 사용되는 언어나 메세지 형식을 말한다.
* MPI(Message Passing Interface) : 메시지 전달 인터페이스(Message Passing Interface)는 분산 및 병렬 처리에서 정보의 교환에 관해 기술하는 표준이다. 메시지 패싱(Message Passing) 방식은 프로세서 간에 교환할 데이터를 메시지 전달함수를 사용해 주고받는 연산 모델로서 이런 함수들의 집합체인 메시지 패싱 라이브러리(Message Passing Library)의 표준을 정한 것이 MPI 이며 이에 맞추어 여러 MPI 라이브러리가 개발되어 있다. 이중 슈퍼라즈베리파이(Super RaspberryPi Computer) 구성은 MPICH를 이용할 것이다.
2. 슈퍼 라즈베리파이(MPI-4PY) : 부품구입
위의 클러스터(Cluster) 구조를 보면, 어떤 물품을 구입해야 하는지 어렴풋이 생각이 들 것이다. 여기서는 라즈베리파이(4개)를 클러스터(Cluster)로 엮기 위한 장치들의 구입목록을 나열해 보기로 한다.
필수장치목록(Raspberry Pi Super Cluster MPI-4PY)
(1) 라즈베리파이3 : 48,000원 × 4개 = 192,000원
(2) 라즈베리파이 방열판 : 1,000원 × 4개 = 4,000원
(3) micro SD 카드 32G : 10,000원 × 4개 = 40,000원
(4) micro SD 카드 리더기 : 8,000원 × 1개 = 8,000원
(5) 마이크로5핀 케이블(전원케이블) : 5,000원 × 4개 = 20,000원
(6) ipTime(H508) 8포트 LAN 허브 : 25,000원 × 1개 = 25,000원
(7) UTP LAN 케이블(1m) : 750원 × 4개 = 3,000원
(8) ipTime(UH305) USB Power 허브 : 25,000원 × 1개 = 25,000원
(9) 마이크로 5핀 케이블 : 5,000원 × 4개 = 20,000원
(10) 라즈베리파이3 투명 적층 케이스(4층) : 15,000원 × 4개 = 60,000원 (직수입)
기타 주변장치목록(Raspberry Pi Super Cluster MPI-4PY)
(1) 디스플레이 모니터
① 데스크탑용 모니터(20인치대)
가장 무난하다. HDMI가 지원되고 스피커 일체형이면 더욱 좋겠지만, 구형 모니터라도 HDMI to VGA 젠더를 이용하면 쉽게 연결이 가능하다. 하지만, GPIO 단자를 이용한 여러 센서와 통신목적으로의 활용하기에는 모니터(디스플레이 장치)를 휴대휴대할 수 없는 불편함이 크다. 따라서 이 경우, 장착한 센서의 측정값을 볼 수 있는 아주 작은 문자형 LCD 디스플레이를 함께 구매하곤 한다.
② 라즈베리파이 공식 7인치 터치 일체형 모니터(110,000원)
라즈베리파이와 7인치 터치 스크린이 지원되는 모니터가 일체형 구조로 되어 있다. 휴대성과 터치스크린의 편의성이 좋아, GPIO 단자를 이용한 여러 센서와 통신목적으로의 활용 및 프로그램 제어 등의 용도로는 장점이 극대화 될 수 있다. 그러나 기본 해상도가 640×480(화면비=4:3) 수준으로 웹페이지 검색이나 Mathematica 등 응용프로그램 작업시 전체화면이 너무 작다. 물론, config 설정을 통하여 해상도를 1024×768(화면비=4:3) 수준으로 높일수도 있으나 글자크기가 너무 작아져서 답답하다. 따라서 자신의 사용목적에 맞는 선택을 권한다. 참고로 제품의 마감처리 등 품질면에서 우수하다.
③ U-Mest 10.1인치 휴대용 고해상도 LED모니터(150,000원)
위에서의 640×480(화면비=4:3) 해상도가 답답한 느낌이라면, 휴대용으로 이 제품을 생각해 볼 수 있다. 10.1인치로 1366×768(화면비=16:9) 수준이 기본 해상도 이며 작은 출력이기는 하지만 스피커도 있다. 물론 이 경우 글자크기가 다소 작은 느낌이기에, config 설정을 통하여 웹페이지 등의 표준해상도인 1024×768(화면비=4:3) 또는 1024×600(화면비=16:9) 로 조정할 수 있다. 하지만, 모니터와 라즈베리파이가 일체형 구조로 되어 있지 않기에 GPIO 단자를 이용한 여러 센서와 통신목적으로의 활용하기에는 휴대성에 다소의 불편함이 따른다. 그러함에도 본 제품은 위의 ①, ②에 대한 요구사항을 절충하는 선택이 될 수 있다. 참고로 중국산이므로 제품의 마감처리가 부실하다.
(2) 기타 유용한 선택적 부품들
① L자형 HDMI to HDMI 젠더(12,000원)
위에서 10.1인치 모니터의 경우 HDMI 등의 각종 단자가 모니터 하단에 위치해 있다. 따라서 HDMI 케이블을 연결하고 거치대로 세우면, 두껍고 단단한 HDMI 케이블로 제대로 거치되지 않는다. 이는 위의 그림과 같이 L자 형태의 HDMI to HDMI 젠더로 해결할 수 있다.
② 양방향 HDMI 케이블 : 30cm(4,000원), 1m(6,000원)
대부분의 HDMI 케이블은 최소길이 1m~1.5m 이며, 두툼하고 딱딱한 라운드형이라 케이블 정리에 불편함이 크다. 아래 사진에서 30cm 규격은 길이는 짧으나 선이 두툼하고 딱딱하다. 이에 반하여 1m 규격은 슬림하고 접을 수 있는 부드러운 재질로 케이블 정리에 좋다. 길이 확보도 하며 슬림하여 손쉽게 접을 수 있는 1m HDMI 케이블이 활용면에서 좋아 보인다.
③ 휴대용 USB 전원 배터리 : 샤오미 20,000mAh(25,000원)
라즈베리파이와 휴대용 모니터를 가지고 외부에서 활용하고자 한다면, 필요한 전원 공급원으로 휴대용 스마트폰 충전기인 USB 전원 배러리를 하나 가지고 있는것이 좋다.
④ HDMI 선택기 : Coms HDMI 21SW(15,000원)
강의용으로 2개의 입력장치(노트북&라즈베리파이)를 하나의 출력장치(프로젝터)에 번갈아 디스플레이 하고자 할 때, HDMI 케이블을 미리 연결해두고 선택할 수 있는 장치이다. 이 제품은 살 때 주의를 요한다. 인터넷을 검색하면 HDMI 분배기로 많은 상품들이 올라와 있는데, 분배기는 하나의 입력장치(노트북)를 두개 이상의 출력장치(모니터, 프로젝터 등)에 동시에 디스플레이 해주는 것으로 본 HDMI 선택기와는 그 기능이 반대이다.
⑤ USB 전원 케이블(스위치 타입) : USB Power only cable with switch(9,000원, 직수입)
라즈베리파이를 사용하다보면 점점 불편해지는 것이 하나 있다. 라즈비안 운영체제에서 Shut Down 기능으로 전원을 OFF 할 수 있지만, 이것을 다시 전원 ON 하려면, 전원 케이블을 뽑고 다시 꽃아야 한다. 이때, 편리하게 사용할 수 있는것이 스위치형 전원 케이블이다. ON/OFF 스위치가 내장되어 있어 케이블을 뽑거나, 다시 꽃을 일이 없어진다. 단, 현재 판매되는 스위치 케이블은 전원공급만 가능하며 데이터 전송은 지원하지 않는다.
위에 나열된 모든 부품(직수입 포함)들과 기타 필요로 하는 주변장치들은
제작과정(U-Tube 동영상 링크)
Raspberry Pi B+ Cluster (Super Computer) Part 1
Raspberry Pi B+ Cluster (Super Computer) Part 2
Raspberry Pi B+ Cluster (Super Computer) Part 3
Raspberry Pi B+ Cluster (Super Computer) Part 4
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