KR20170010908A - 큰 확장성 프로세서 설치에 있어서 유연한 저장 및 네트워크 프로비저닝을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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아놀드 토마스 슈넬
리차드 오웬 월도프
데이비드 볼랜드
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아이아이아이 홀딩스 2, 엘엘씨
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Abstract

저장 및 IO 자원을 연산 자원에 따라 확장할 수 있도록 하는 시스템 디자인 내에서의 프로비저닝(provisioning)을 위한 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

큰 확장성 프로세서 설치에 있어서 유연한 저장 및 네트워크 프로비저닝을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FLEXIBLE STORAGE AND NETWORKING PROVISIONING IN LARGE SCALABLE PROCESSOR INSTALLATIONS}
본 개시는 일반적으로 스토리지 및 네트워킹 자원을 연산 자원으로 확장 가능하도록 하는 시스템 디자인에서의 프로비저닝과 연관된다.
서버 시스템들은 일반적으로 고정된 수의 옵션을 제공한다. 예를 들어, 고정된 수의 PCI Express IO 슬롯 및 고정된 수의 하드 드라이브 베이(bay)가, 미래의 업그레이드 가능성을 제공하기 위해 종종 빈 상태로 제공된다. 소비자는 미래의 니즈(needs)를 계산하고 현재 및 미래의 니즈를 제공할 수 있는 서버 섀시 카테고리(server chassis category)를 선택할 것으로 예상된다. 한 세대에서 다른 세대로의 제품 향상이 점진적이었기 때문에, 역사적으로, 특히 x86-클래스 서버에 있어서 미래의 요구를 예측하는 것은 달성 가능했다.
확장형 서버의 출현으로, 미래의 요구를 예측하는 능력은 덜 확실해졌다. 예를 들어, 2U 섀시 내의 서버의 클래스에서는, 120개의 연산 노드를 증분 방식(incremental fashion)으로 설치하는 것이 가능하다. 이 서버를 데이터 저장 디바이스로 사용할 때, 사용자는 단지 4개의 연산 노드만을 요구할 수 있지만, 80개의 저장 드라이브를 희망할 수 있다. 같은 서버를 분석에 집중된 순수 연산 기능으로 사용할 때, 사용자는 저장 드라이브 없이 120개의 연산 노드를 요구할 수 있다. 확장형 서버의 특성은 다양한 시스템 구성을 요구하는 훨씬 더 다양한 어플리케이션에 적합하다는 것이다. 시간에 따라 다양성이 증가하면서, 확장되어야 하는 시스템 특징을 예측하는 능력은 갈수록 어려워지고 있다.
전형적인 서버 시스템의 일 예시가 도 1에 도시된다. 기존의 서버 시스템은 그것의 전면 표면을 따라 24개의 하드 드라이브 용 고정 영역 및 연산 하위시스템(마더보드라고도 함) 용 고정 영역 및 IO 확장(PCT 슬롯) 용 고정 영역을 포함한다. 이 전형적인 서버 시스템은 다양한 컴퓨터 컴포넌트에 대한 확장성(scalability)을 제공하지 않는다. 즉, 서버 시스템 내에서 저장소 및 네트워킹을 확장하는 시스템 및 방법을 생성하는 것이 바람직하며, 본 개시가 지향하는 것은 이를 위한 것이다. 이 확장성의 이점은 다수의 사용자 어플리케이션에 적합한 훨씬 더 유연한 물리 시스템이다.
상기 과제를 해결하기 위한 확장형 시스템(scalable system)은, 기 결정된 물리 폼 팩터를 가지고, 모듈들이 장착되는 복수의 슬롯을 포함하는 섀시(chassis); 상기 섀시 내의 상기 복수의 슬롯에 수납될(being housed) 수 있는 하나 이상의 연산 컴포넌트; 상기 섀시 내의 상기 복수의 슬롯에 수납될 수 있는 하나 이상의 저장 컴포넌트; 및 상기 섀시 내의 상기 복수의 슬롯에 수납될 수 있는 하나 이상의 IO 컴포넌트를 포함할 수 있다. 또한 상기 섀시에 수납되는 상기 연산 컴포넌트, 상기 저장 컴포넌트 및 상기 IO 컴포넌트는 상기 섀시 내의 상기 시스템이 확장 가능하도록 상기 시스템의 희망 연산 능력, 저장 능력, 및 입/출력 능력에 기반하여 결정될 수 있다.
이 확장성의 이점은 다수의 사용자 어플리케이션에 적합한 훨씬 더 유연한 물리 시스템이다.
도 1은 전면 표면을 따라 24개의 하드 드라이브 용 고정 영역 및 연산 하위시스템(마더보드라고도 함) 용 고정 영역 및 IO 확장(PCT 슬롯) 용 고정 영역을 도시하는 기존의 서버 시스템을 나타낸다.
도 2는 연산 모듈, 저장 모듈, 또는 IO 모듈을 수납할 수 있는 복수 슬롯을 갖는 예시적인 시스템을 나타낸다.
도 3은 예시적인 연산 모듈을 나타낸다.
도 4a는 업계 표준 2.5” 하드 드라이브 또는 SSD(solid state drives)를 구현하는 예시적인 저장 모듈의 측면도 또는 평면도를 나타낸다.
도 4b는 SATA SSD 모듈을 구현한 예시적인 저장 모듈을 나타낸다.
도 4c는 mSATA SSD 모듈을 구현한 예시적인 저장 모듈을 나타낸다.
도 5는 예시적인 IO 모듈을 나타낸다.
도 6은 예시적인 하이브리드 모듈을 나타낸다.
도 7은 개인 상호연결의 방식으로 함께 연결된 모듈들의 통합 컬렉션으로 구성된 모듈 블록(또는 슈퍼 모듈)을 나타낸다.
도 8a는 어떻게 예시적인 시스템이 특히 로컬 저장공간을 요구하지 않는 높은 연산 어플리케이션 용으로 배치될 수 있는지의 예시를 나타낸다.
도 8b는 어떻게 예시적인 시스템이 1:1 비율의 연산 및 저장의 혼합으로 배치될 수 있는지의 예시를 나타낸다. 이는, 예를 들어, 하둡(Hadoop) 어플리케이션에서 유용하다.
도 8c는 어떻게 예시적인 시스템이 특히 저장 어플리케이션 용으로 배치될 수 있는지의 예시를 나타낸다.
도 8d는 예시적인 스트래들(straddle) 슬롯을 나타낸다. 긴 섀시에 있어서, 실제적인 제한이 시스템 보드 크기 상에 도달한다. 슬롯의 중앙 열은 시스템 보드를 가로지른다.
도 8e는 훨씬 큰 시스템 보드 영역을 갖는 시스템에서 스트래들 슬롯의 사용을 나타낸다.
본 개시는 가장 널리 선호되는 PC-클래스 서버 용 폼 팩터(form factor)인 2U 섀시에 특히 적용 가능하다. 이 개념은 여기에서 가지각색의 관습적 사이즈 및 어떤 비 정형화된 형상의 타워(tower) 및 랙(rack) 섀시의 것과 같은 어떠한 섀시 폼 팩터에도 적용된다. 예를 들어, 도 8e는 하나의 비 정형 폼 팩터인 슬라이딩 도어(sliding door)를 나타내고, 이는 기존의 랙 섀시에서 사용되는 좌측 및 우측 사이드 대신 서버 랙(server rack)의 상단 및 하단의 랙 레일(rack rails)에 의존한다. 슬라이딩 도어 방식(sliding door approach)은 시스템 보드에 대한 사용 가능한 공간을 확장시키지만, 동시에 여기서의 유연한 프로비저닝(provisioning) 개념에 의해 해결되어야 하는 시스템 보드 사이의 새로운 상호 연결 문제를 생성한다.
컴퓨터 아키텍처는 다양한 컴포넌트들을 포함하고, 이 컴포넌트들은 세 카테고리로 분류될 수 있다: 연산(compute), 저장(storage), 및 IO이며 여기서 연산 카테고리는 연산 관련된 또는 프로세서 컴포넌트를 포함할 수 있고, 저장 카테고리는 저장 타입 장치들이고, IO는 컴퓨터 아키텍처의 입력/출력 컴포넌트들이다. 각 카테고리는 더 세분화될 수 있고, 각 카테고리는 특정 요소(element) 타입을 포함하도록 정의될 수 있다. 예를 들어, 연산은 ALU, 캐시, 시스템 메모리, 및 로컬 주변장치들로 세분화될 수 있다. 또 예를 들어, 저장 카테고리는 하드 드라이브, SSD(solid state storage) 장치, 다양한 업계-표준 폼 팩터, 또는 비-표준 장치의 요소 타입을 포함할 수 있다. 본 개시에 있어서, 상기 컴포넌트 레벨(연산, 저장, IO)은 각 컴포넌트가 동일한 개념이 적용될 수 있는 크기(dimension)과 특성을 가진다는 이해 하에서 사용된다.
이 개시의 시스템 및 방법은 임의의 상기 컴퓨터 컴포넌트들: 연산 장치, 저장 장치, 또는 IO 장치에 의해 동일한 물리 공간이 사용되는 것을 허용한다. 이는 다른 응용을 위한 시스템 구성에 있어서 최대한의 유연성을 제공한다. 부가하여, 파워 서플라이(power supply) 및 팬(fan)과 같이, 세 컴포넌트를 모두 지원하는 컴퓨터 시스템 내의 장치들은 제공된 예시에서 단순화를 위해 고정된 것으로 가정한다. 이 지원 디바이스들은 시스템 디자인의 차별화 목적에 따라, 고정될 필요가 없는 것으로 이해되며, 즉 그것들 역시 필요에 따라 확장될 수 있음을 의미한다.
이 예시에서, “슬롯(slot)”은 물리 커넥터들 및 상기 커넥터들 위에 정의된 볼륨 스페이스로 구성된다. 일 실시 예에서, 2개의 PCI Express x16 커넥터가 길이 10”, 높이 2.7”, 폭 1”의 볼륨으로 사용된다. 이 볼륨은 연관된 컴포넌트의 높이, 2U 섀시의 제한, 및 이 실시 예를 수용하기 위해 요구되는 PCB 공간에 의한 길이에 기초하여 선택된다. 다른 커넥터 타입들이 신호 주파수 및 요구되는 핀의 양에 따라 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 다른 볼륨들이 상기 응용에 대해 수용 가능한 물리적 제약에 따라 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 커넥터 핀 정의(connector pin definition)는 파워 전달 및 전기적 인터페이스의 대역폭 모두에 있어서, 컴퓨터 컴포넌트의 많은 니즈를 수용하기 위해 중요하다. 도 2는 시스템에서 팬을 위한 하나 이상의 고정 위치(22), 파워 서플라이를 위한 하나 이상의 고정 위치(24), 및 프로세서, 저장 또는 IO 컴포넌트를 위한 하나 이상의 슬롯(26)(이 예시에서는 30개의 슬롯)을 포함하는 결과적인 예시 시스템(20)을 나타낸다.
예시적인 연산 모듈(30)이 도 3에 도시된다. 확장 원칙 지원 하에서, 연산 모듈(30)은 이 예시에서의 4개의 노드(32-38)와 같이, 하나 이상의 노드를 포함한다. 각 노드는 고집적 SOC(System On Chip)(40), 시스템 메모리 용 DIMM(42), 로컬 저장 공간을 위한 비 휘발성 메모리(NAND)(44), 저장 컴포넌트와의 연결을 위한 하나 이상의 알려진 SATA 채널(46) 및 노드의 일반적인 기능을 위해 필요한 기타 필수 소형 디바이스(EEPROM, 부트 플래시 메모리, 센서, 등) 로 구성될 수 있다. 4개의 노드(32-38)는 상호간의 로컬 IO 연결을 가지며, 이 로컬 IO 연결은 상호통신 및 외부 IO 연결이 실패시의 반복(redundancy)을 제공한다. 각각의 상기 노드들은 독립된 운영체제를 실행하지만, 다른 예시로서, 캐시 일관(cache-coherent) 연산 모듈은 각 노드 상에서 운영체제의 하나의 인스턴스(instance)를 실행하는 것이 가능하다.
상기 시스템에서 사용될 수 있는 저장 모듈(50)의 예시가 도 4a, 4b, 및 4c에 도시된다. <4a1> 및 <4a2>는 (데이터를 저장하는 회전형 기계 플래터(platters)를 포함하는 것으로 정의되는) 하드 드라이브 또는 (움직이는 파트를 갖지 않는 것으로 정의되고, 그 저장 매체 용으로 집적 회로를 사용하는) SSD 용 현행 업계-표준 2.5” 드라이브 폼 팩터를 지지하는 저장 모듈을 나타낸다. 이 예시에서, SATA나 SAS와 같은 필수 IO 표준을 사용하는 파워 전달 및/또는 데이터 전달을 위해 PCB 카드 에지 커넥터(printed circuit board card edge connector)를 사용하는 것이 가능하다. IO 표준은 순수하게 구현된 디바이스에 의한 편의성 지원에 기반하여 선택된다. 기계적 인터페이스가 필수 신호 주파수를 지원할 수 있는 한 어떠한 IO 프로토콜도 이 카드 에지 커넥터를 통해 라우팅될 수 있다. 대안적으로, 직접적으로 상기 데이터 전달 용 IO를 상기 드라이브에 연결하는 것은 시스템 구성에서 추가적인 유연성을 제공할 수 있다.
<4a1>에는 연속해서 부착되는 저장 장치들과의 연결을 위해 파워/데이터 커넥터 및 전압 조절 장치(voltage regulator)가 집적된 PCB(52)가 도시된다. 저장 모듈은 또한 SATA 파워 커넥터와 같은 하나 이상의 커넥터(54) 및 PCB 파워 레일(PCB power rails)에서 상기 부착된 저장 매체(이 예시에서, SATA 2.5” 기계적 스핀들(spindle) 하드 드라이브)까지 파워를 연결하기 위한 파워 케이블을 포함할 수 있다. 이 예시에서, 이 케이블들은 SATA SSD나 mSATA 용일 필요는 없다. 상기 저장 모듈은 또한 2.5” SATA HDD를 <4a2>의 청색 마운팅 홀에 탑재하는 스탠드오프(stand-offs)(55)를 포함할 수 있다. 상기 저장 모듈은 또한 파워를 전송하지 않는 SATA 데이터 케이블(56)도 포함할 수 있다.
<4a2>에서, 상기 저장 모듈은 하드 드라이브를 PCB에 부착하는 또 다른 방법인 SATA 파워/데이터 커넥터(56) 세트를 포함한다. <4a2>에서 상기 저장 모듈은 또한 <4a1>에 도시된 스탠드오프(55)를 위한 하나 이상의 마운팅 홀(57)을 포함할 수 있다. 이들은 또한 PCB 어셈블리의 표준 제조 용으로 사용되는 홀을 포함한다.
도 4b는 JEDEC MO-297 표준에 의거 SATA SSD 모듈을 지원하는 기계적 지원 기능과 함께, 업계 표준 22-핀 SATA 커넥터 및 인터페이스를 구현하는 저장 모듈을 나타낸다. 도 4c는 JEDEC MO-300 표준에 의거 mSATA 모듈을 지원하는 기계적인 지원 기능과 함께, 업계 표준 x1 PCI 커넥터를 구현하는 저장 모듈을 나타낸다.
도 4c의 예시는 연관된 연산 모듈에 매우 근접할 수 있는 저장 모듈의 이점을 최대화하기 위해 업계 표준을 넘어 확장하는 기회를 보여준다. JEDEC 표준은 이 인터페이스를 통해 오직 하나의 SATA 채널에 대한 요구를 갖기 때문에, mSATA 모듈을 위한 x1 PCI 커넥터의 재사용은 많은 핀들을 사용하지 않은 채로 남겨두었다. 사실, 충분한 접지를 위해 핀을 할당할 때에도 5개의 추가적인 SATA 채널 용 공간이 있다. 두 시나리오의 그것이 동일한 총 저장 공간을 가져옴에도 불구하고, 이는 하나의 큰 메모리 블록을 갖는 하나의 SATA 채널과는 대조적으로 각각이 작은 메모리들을 갖는 6개의 SATA 채널까지 허용한다. 상기 복수 SATA 채널의 이점은 메모리로의 병렬 액세스 가능성에 의해 생성된 증가된 인터페이스 대역폭이다. 운영체제가 하나의 논리 디스크를 생성하기 위해 다수의 물리 디스크를 스트라이핑(stripe) 할 수 있을 때, 순 변화는 SATA 인터페이스 성능의 증가(boost)이다. 따라서 하나의 SATA 채널보다 큰 mSATA 모듈은 디스크로의 IO 병목현상(bottlenecks)에 대한 새로운 해결책을 제공할 수 있다.
상기 시스템을 위한 예시적인 IO 모듈(60)이 도 5에 도시된다. 기존의 서버에 연결되고 그것의 운영체제에 묶이는 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC, Network Interface Controller)와 달리, 이 IO 모듈(60)은 그 에지 커넥터(62)에서 상기 시스템의 기반(infrastructural) IO에 연결되고, 이더넷(Ethernet)과 같이 내부 IO 프로토콜에서 외부 IO 프로토콜로의 변환(translation)(64)을 (IO 변환 회로를 사용하여) 제공한다. IO 모듈(60)은 어떤 노드의 어떤 특정 운영체제에도 독립하여 동작한다. IO 모듈(60)은 하나 또는 다수의 외부 IO 포트를 지원할 수 있고, 특정 섀시 디자인에 적합한 폼 팩터를 채용할 수 있다. 모듈화(modularity)의 이점은 IO 모듈의 양(quantity)이 이 시스템에서 다른 시스템으로/다른 시스템에서 이송된 데이터의 대역폭 요구에 의해 결정될 수 있다는 점이다.
연산(30), 저장(50) 및 IO(60) 컨셉들의 조합이 상기 시스템에 통합되는 하나의 모듈 상에서 구현될 수 있음을 나타내는 예시적인 하이브리드 모듈(70)이 도 6에 도시된다.
도 7은 개인 상호연결(private interconnect)(102)의 방식으로 함께 연결된 모듈들(70)의 통합 컬렉션으로 구성된 모듈 블록(또는 슈퍼 모듈)(100)을 나타낸다.
이제 전술한 상기 연산, 저장 및 IO 모듈 개념을 갖는 도 8의 예시적인 시스템이 설명된다. 도 8a, 8b, 및 8c는 각각 연산-집약적 어플리케이션, 하둡(Hadoop) 어플리케이션, 및 저장 어플리케이션의 기본 범주를 다루기 위한 서로 다른 시스템 구성을 나타낸다. 물론, 많은 다른 모듈들의 조합이 특정 어플리케이션에 대해 요구되는 레시피(recipe)를 구성하는 것이 가능하다. 도시된 것과 같이, 모듈 폼 팩터는 편의상 일관되게 유지되지만, 필요한 경우, "네트워크"로 표시된 IO 모듈에 의해 도시되는 바와 같이, 변경할 수 있다. 이 유연성의 정도는 소프트웨어 어플리케이션 요구에 따라 짜 맞춰질(mixed and matched) 수 있는, 전용 목적에 얽매인 섀시 내에 매우 작은 볼륨을 갖는 모듈 패밀리의 생성을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 8a는 팬(22) 및 파워 서플라이(24) 및 연산 집약적 시스템을 위한 복수의 연산 모듈(30)을 갖는 시스템(20)을 나타낸다. 도 8b에서, 시스템(20)은 동일한 폼 팩터 및 팬 및 파워 서플라이를 포함하지만, 슬롯(26)은 도 8a의 상기 시스템보다 더 많은 저장 공간(storage)을 요구하는 시스템 용으로 도시된 바와 같은 연산 모듈(20)과 저장 모듈(50)의 조합으로 채워진다. 도 8c는 동일한 폼 팩터 및 팬 및 파워 서플라이를 포함하지만, 슬롯(26)은 도 8a 및 도 8b의 상기 시스템보다 연산 능력보다 더 많은 저장 공간을 요구하는 시스템 용으로 도시된 바와 같은 적은 연산 모듈(20)과 훨씬 많은 저장 모듈(50)로 채워진다.
도 8d는 시스템 20 상에서 시스템 보드 크기가 PCB 제조 공장에서 허용되는 실제 한계보다 더 크도록 특별히 긴 섀시를 고려하여 개념을 확장한다. 비록 제한된 소스로 30’’까지의 패널을 얻는 것도 가능하지만, 전형적인 PCB 패널 크기는 18”x24” 또는 24”x24”이다. 19” 와이드 랙(wide rack)에 맞는 일반적인 2U 섀시를 감안할 때, 상기 18”x24” PCB 패널은 오늘날 대부분의 서버 마더보드에 적합한 사이즈이다. 24” 제한을 넘어 확장하기 위해, 보드-투-보드(board-to-board) 커넥터가 두 어셈블리를 상호연결하기 위해 사용되어야 한다. 고속 신호가 상기 두 어셈블리 사이를 반드시 통과해야 때, FCI AirMax 커넥터와 같은 상대적으로 고가의 상호접속 솔루션이 반드시 구현되어야 한다. 이 커넥터들의 사용은 신호 무결성 고려 사항(signal integrity considerations)을 추가하여 전기적 디자인을 복잡하게 하고 이 커넥터에 대해 요구되는 볼륨에 기인하여 기계적 디자인을 복잡하게 한다. 대안적으로, 상기 두 시스템 보드들은 직접적으로 연결될 필요가 전혀 없고, 대신에 그들 사이의 데이터를 이송하는 연산 모듈 내의, “스트래들 슬롯(straddle slot)”이라 불리는 IO 패브릭(fabric)에 의존할 수 있다. 도 8d에서, 좌측 시스템 보드는 제어 마운팅 포인트(controlled mounting points)에 기초하여 정렬될 수 있는 반면, 우측 시스템 보드는 설치된 모듈들이 연관된 에지 커넥터들의 정렬을 제어할 수 있도록 그 마운팅 포인트 상에서 “부유(float)”하도록 디자인될 수 있다.
도 8e는 상기 2U 섀시 예시에서 탈피하여 시스템 보드 용으로 가능한 영역을 상당히 확장한 예시적인 수직 시스템(20)을 나타낸다. 레일 상의 각 섹션은 “수직 섀시(vertical chassis)”로 불린다. 검은 파선(dashed lines)은 모듈 슬롯을 나타낸다. 기울어진(angled) 슬롯 방향이, 실제 수직 굴뚝 랙 디자인(true vertical chimney rack designs)에서 야기되는 과도한 열 축척(heat build-up)이라는 결과 없이, 자연 대류에 기인한 공기 흐름을 향상시킨 다는 점에 주목하자. 상기 스트래들 슬롯 개념은 여기서 보드-투-보드 고속 커넥터에 의해 요구되는 비용 및 공간을 피하기 위해 이용될 수 있다. 파워와 쿨링(cooling)은, 필요에 따라 격납 공간(space in the enclosure)이 그것들에 대해 제공될 수 있음이 자명하므로, 도시되지 않는다.
전술한 내용은 본 발명의 특정 실시 예를 참조한 것이지만, 이 실시 예에서의 변경이 본 개시의 원리나 사상에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이 분야의 당업자에게 이해될 수 있고, 그 범위는 첨부된 청구항에 의해 정의된다.

Claims (1)

  1. 기 결정된 물리 폼 팩터를 갖는 섀시로서, 상기 섀시는 모듈들이 장착되는 복수의 슬롯을 포함하는, 상기 섀시;
    연산 모듈들, 저장 모듈들 및 입력/출력 (I/O) 모듈들로서, 상기 연산 모듈들, 저장 모듈들 및 I/O 모듈들은 상기 복수의 슬롯에 수납되는 (housed), 상기 연산 모듈들, 저장 모듈들 및 I/O 모듈들; 및
    상기 연산 모듈들 중 하나 이상, 상기 저장 모듈들 중 하나 이상, 및 상기 I/O 모듈들 중 하나 이상을 식별하여, 확장형 시스템을 위한 희망 연산 능력, 희망 저장 능력, 및 희망 입/출력 능력에 기초하여 상기 확장형 시스템을 형성하는 프로세서를 포함하고,
    상기 하나 이상의 I/O 모듈들의 양은 상기 확장형 시스템으로부터 그리고 상기 확장형 시스템으로 이송하는 데이터에 대한 대역폭 요구에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는, 시스템.
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