Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen (IIS)

Ausführliche Referenz

Das 1985 gegründete Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) betreibt im Auftrag von Industrieunternehmen und öffentlichen Einrichtungen angewandte Forschung und Entwicklung. Weltweit bekannt geworden ist MP3, das am Fraunhofer IIS entwickelte Audiocodierverfahren. Ebenso im Fokus: Bilderfassung und Bilderkennung sind Schlüssel für die Qualitätskontrolle in der Fertigung, bei der Produktionsautomatisierung und in der Medizintechnik. Zu diesem Zweck werden auch intelligente Bildsensoren, Hochgeschwindig- keitskameras und Ultrafeinfokus-Röntgensysteme entwickelt. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Kameratechnik für das digitale Kino.

Digitale Bilder für die große Leinwand
Die ersten Digital Cinemas, in denen der Film nicht mehr von einer Rolle sondern direkt digi- tal auf die Leinwand projiziert wird, haben ihre Pforten für die staunenden Gäste geöffnet. Und zum Staunen haben sie allen Grund, denn die Bilder im Format 4096 mal 2160 Pixel er- reichen eine Auflösung von 8 Megapixel. Dahinter bleiben analoge Fernsehbilder und selbst das hoch gelobte HDTV mit 2 Megapixel weit zurück. Doch nun müssen Formate, Medien und Abspielsysteme an die neue Technik angepasst werden. Das Fraunhofer Institut für inte- grierte Schaltungen (IIS) ist eng in diese Entwicklung involviert. So leitet das IIS die Standar- disierungsgruppe für den Kompressionsstandard JPEG2000. Anders als bisher, erhalten Kinos die neuesten Filme nicht mehr als 35 mm Rolle, sondern als digitales Komplettpaket, mit oder ohne Verschlüsselung. JPEG2000 ist die ideale Lösung dafür, allerdings erfordert der Kompressionsvorgang enorme Rechenleistung. „Ein aktueller Pentium IV Computer mit 3 GHz Taktfrequenz benötigt etwa 3 Sekunden, um ein Bild zu kodieren“, erklärt Dr. Siegfried Fößel, Projektleiter Digitales Kino am IIS, die Größenordnung. „Aber jede Filmsekunde besteht aus 24 Bildern, die Kodierung mit einem Standard-PC dauert also sehr lange.“ Daher entwickelt eine Forschergruppe seit einiger Zeit eine Kompressionssoftware auf Basis der .NET Architektur, die Kompressionsjobs auf einen Rechnercluster verteilen kann. Doch die bisher verwendeten, lokalen SCSI RAID-Systeme waren keine sinnvolle Lösung, um die Daten für den verteilten Rechnercluster bereit zu stellen.

Hoher Durchsatz notwendig
Im April 2007 startete das Fraunhofer Institut für integrierte Schaltungen deshalb eine Ausschreibung für das Speichersystem im reduzierten Verfahren. Aufgrund der Komple- xität der Lösung konnten die Kandidaten nicht vorher in einer Testinstallation aufgebaut und in einer echten Umgebung getestet werden. Darum wurden die Spezifikationen unter anderem zusammen mit dem Systempartner Inforsacom detailliert ausgearbeitet. Von dem guten Dutzend Firmen blieben am Ende zwei Hersteller für die Endauswahl übrig, darunter auch Sun, die als Speichersystem ein Sun StorageTek ST6140 Array anboten. Diese Speichersysteme basieren auf Technik von LSI und sind speziell für große Datenbanken und Hochleistungscomputing konzipiert. Sie setzen die neue SBOD-Technik (Switched Bunch of Disks) ein, die für maximalen Durchsatz alle Laufwerke in einem Array parallel ansteuern kann. Weil Durchsatz und Zugriffszeiten für die Geschwindigkeit der JPEG2000 Kompression wichtig waren, gab Dr. Fößel klare Richtwerte vor: 300 MB/s sollte das Array schaffen, damit die Clusternodes immer ausreichend mit Daten versorgt werden.

Nachdem beide Hersteller die Grenzwerte erfüllen konnten, fiel die Entscheidung aufgrund betriebswirtschaftlicher Kriterien. Und hier lag Sun eindeutig vorn, die Lösung war um den Faktor 2,5 günstiger als die des Mitbewerbers. Aufgrund der guten Per- formancewerte des Controllers im ST6140 konnten effiziente und kostengünstige 500 GB SATA-Festplatten als Datenträger eingesetzt werden. Das IIS hat nun 24 Tera- byte Massenspeicher zur Verfügung, der in einen Produktions- und einen Archivbereich aufgeteilt ist.

Im August begann Inforsacom mit der Implementierung des gesamten Clusters. Als Re- chennodes, auch „Renderslaves“ genannt, dienen drei Sun Fire X4100 Server. Weil die Berechnungssoftware unter Windows läuft, der Zugriff allerdings auch von anderen Betriebssystemen aus möglich sein soll, wurde mit dem Quantum StorNext Filesystem eine Metaebene eingezogen. StorNext wird als Client auf den Workstations installiert und setzt die Anfragen nach Speicherblöcken auf den Massenspeicher um. Ein Sun x4200 Server dient als Datenbankserver für die Metadaten, während die eigentlichen Informationsblöcke auf der Sun StorageTek 6140 lagern. Der Datenbankserver läuft unter SuSE Linux, weil dessen Implementierung des IP-Stacks schneller ist, ein weiteres Tribut an die hohen Leistungsanforderungen des Systems. Durch die Mischung von Win- dows und Linux als Betriebssysteme hatten die Techniker von Inforsacom einige Hürden zu umschiffen, doch mit der flexiblen Unterstützung durch Sun ließ sich das System stabil und performant umsetzen. Maximal kann der Speicherplatz auf 56 Terabyte aus- gebaut werden, wenn Festplatten mit 750 GB zum Einsatz kommen, sogar auf 84 TB. Für noch mehr Kapazität ist es möglich, den 6140-Controller auf das Modell 6540 umzurüsten. Die Daten müssen dazu nicht kopiert werden, trotzdem erhöht sich die maximal mögliche Kapazität dann auf 168 Terabyte.

Flexible Bestückung möglich
Das war ein wichtiger Punkt für die Auswahl des Systems. Zum einen ging es natürlich darum, möglichst viel Kapazität für wenig Geld zu bekommen. Zum anderen musste das Speichersystem so leistungsfähig sein, dass damit die gewünschte Performance problemlos erreicht werden konnte – auch mit den günstigen SATA-Platten. Doch ein Risiko ging das IIS ohnehin nicht ein. Die Controllertechnologie von LSI erlaubt die gemischte Bestückung von Fibre-Channel- und SATA-Platten in einem Chassis, im Notfall wäre auch der Einsatz der schnelleren Fibre- Channel Platten möglich gewesen. Doch nach ausgiebigen Tests durch das IIS und Inforsacom war klar, dass die gewünschten Leistungswerte erreicht werden würden, wenn das System exakt auf die Aufgaben abgestimmt war. Nach der entsprechenden Optimierung und ausführlichen Tests standen Ende September 2007 die geforderten Durchsatzwerte zur Verfügung: Mit 330 MB pro Sekunde übertrifft die Leseperformance sogar noch das gesetzte Limit, auch die Schreibleistung von 117 Megabyte pro Sekunde kann sich sehen lassen. Das liegt nicht zuletzt an der guten Anbindung an das Storage Area Network über vier Fibre-Channel Ports mit je 4 GB/s Durchsatz und einem 2 GB großen Cache-Modul. Selbstverständlich ist auch die Sicherheit der dem ST6140 anvertrauten Daten gewährleistet. Je nach Verfügbarkeitsanforde- rungen der Applikation sind die Festplatten in RAID-1 oder RAID-5 Arrays konfiguriert. Diese Aufteilung muss nicht endgültig sein: Die Sun StorageTek 6140 Controller erlauben die Migration von RAID Levels im laufenden Betrieb, zum Beispiel von RAID-1 auf RAID-5. Dr. Fößel ist mit dem System und besonders mit dem ST6140 Array mehr als zufrieden.