آشنایی با ابر رایانه ها

ابررایانه ها، کامپیوتر‌های غول پیکری هستند که از لحاظ ابعاد بسیار بزرگ بوده و فضای زیادی را اشغال می‌کنند. ابرکامپیوتر‌ها کمی با کامپیوتر‌های معمولی که دیده اید متفاوتند و ویژگی‌های منحصر بفردی را بنام خود کرده اند که رایانه‌های معمولی از آن‌ها بی بهره اند.

این کامپیوتر‌های غول پیکر تاریخچه هیجان انگیزی دارند و جزء کامپیوتر‌های قدرتمندی محسوب می‌شوند که گرمای زیادی را تولید می‌کنند.

ابررایانه چیست؟

ابررایانه ( Supercomputer ) به رایانه‌ای اطلاق می‌گردد که در زمان معرفی آن در زمینه میزان ظرفیت محاسبه در واحد زمان در دنیا پیشرو باشد. این عبارت برای اولین بار توسط مجله «نیویورک ورلد» برای اشاره به جدول‌ساز‌های آی‌بی‌ام در دانشگاه کلمبیا به کار رفت.

ابر کامپیوتر یا Supercomputer از نظر لغوی به معنی کامپیوتر مین‌فریم نسبتاً قوی است. منظور از Mainframe کامپیوتر‌های غول‌آسایی است که فضای زیادی مثل یک اتاق بزرگ یا یک سالن اشغال می‌کنند. در حقیقت ابر کامپیوتر‌های امروزی در فضایی بزرگ با سیستم تهویه‌ی کارآمد قرار می‌گیرند و شامل تعداد زیادی کابینت و اتصالات شبکه‌ای بین کامپیوتر‌ها هستند.

تکنولوژی‌ها و دشواری‌های ابررایانه‌ها

یک ابررایانه گرمای زیادی تولید می‌کند و باید خنک شود. خنک کردن بسیاری ابررایانه‌ها مسئلهٔ بسیار بزرگی برای HVAC است.

اطلاعات نمی‌توانند با سرعتی بالاتر از سرعت نور بین دو بخش کامپیوتر جابجا شوند. به همین دلیل یک ابررایانه چندمتری (با عرض چندمتر) باید تأخیر (latency) بین قطعاتش در حد چند ده نانوثانیه باشد. به خاطر همین مشکل طراحی‌های سیمور کری کوشیدند در حد امکان از طول کابل‌های کمتر استفاده کنند شکل استوانهٔ کری هم به همین ترتیب به وجود آمد. در ابررایانه‌هایی که تعداد بسیار زیادی cpu دارند که موازی هم کار می‌کنند برای فرستادن پیام بین پردازنده‌ها توقف یک تا پنج میکرو ثانیه معمول است.

برای فرستادن پیام بین پردازنده‌ها‌ها حجم بسیار بالای اطلاعات را در مدت زمان کوتاه مصرف و تولید می‌کنند. کن بچر می‌گوید: برای فرستادن پیام بین پردازنده‌ها وسیله‌ای است که مسائل محدود به محاسبه را محدود به I/O می‌کند. برای حصول اطمینان از انتقال سریع و ذخیرهٔ و بازیابی صحیح اطلاعات باید روی پهنای باند ذخیرهٔ خارجی کار زیادی انجام بدهیم.

تکنولوژی‌های تولید شده برای ابررایانه‌ها شامل این‌ها می‌شوند :

پردازش برداری

خنک‌کنندگی مایع

دسترسی ناهمشکل به حافظه (NUMA)

دیسک‌های راه راه (اولین نمونه از آنچه بعد‌ها نامش RAID شد)

فایل سیستم‌های موازی

تاریخچه ابررایانه‌ها

ابررایانه‌ هایی را که در دههٔ ۱۹۶۰ ساخته و ارائه شدند سیمور کری از بنگاه کنترل اطلاعات (CDC) طراحی کرده بود و تا دههٔ ۱۹۹۰ هم بازار در دست این ابررایانه‌ها بود. زمانی که سیمور کری جدا شد و رفت تا شرکت خودش به نام تحقیقات سیمور را راه‌اندازی و اداره کند با طرح‌های جدیدش بازار ابررایانه‌ها را در دست گرفت و تا پنج سال (۱۹۸۵–۱۹۹۰) یکه‌تاز بازار ابر محاسبه بود.

خود کری هرگز واژهٔ ابررایانه را استفاده نکرد و کمتر کسی به خاطر دارد که او تنها کلمهٔ رایانه را استفاده می‌کرد. در سال ۱۹۸۰ هم‌زمان با ظهور بازار رایانه‌های کوچک که یک دهه قبل به وجود آمده بودند تعداد زیادی رقبای کوچک وارد بازار شدند. اما بسیاری از این‌ها در دههٔ ۱۹۹۰ با بروز مبارزات بازار ابررایانه حذف شدند.

امروزه ابررایانه‌ها طراحی‌های سفارشی کم‌نظیری هستند که شرکت‌های صنعتی مثل آی‌بی‌ام و اچ‌پی تولید می‌کنند. همان شرکت‌هایی که بسیاری از شرکت‌های دههٔ ۱۹۹۰ را خریدند تا از تجربه‌شان استفاده کنند. البته بنگاه کری هنوز به صورت حرفه‌ای به ساخت ابررایانه ادامه می‌دهد.

اصطلاح ابررایانه چندان پایدار و ثابت نیست. ممکن است ابررایانه امروز فردا تبدیل به یک رایانه معمولی شود. اولین دستگاه‌های CDC پردازنده‌های نرده‌ای (اسکالر) خیلی سریع بودند؛ ده برابر سریع‌تر از سریع‌ترین ماشین‌های سایر شرکت‌ها. در دههٔ ۱۹۷۰ اکثر ابررایانه‌ها به انجام محاسبات برداری پرداختند و بسیاری رقبا و تولیدکنندگان جدید پردازنده‌های خودشان را با قیمت پایین با همان روش کار به بازار ارائه کردند تا در بازار حاضر شوند.

در ابتدا و میانهٔ دههٔ ۱۹۸۰ ماشین‌هایی با پردازنده‌های اندک برداری که به صورت موازی کار می‌کردند تبدیل به استاندارد شدند. هر ماشینی معمولاً چهارده تا شانزده پردازندهٔ برداری داشت. در اواخر دهٔ ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ دوباره توجه‌ها از پردازنده‌های برداری به سیستم‌های پردازندهٔ موازی معمول معطوف شد که هزاران ریزپردازنده معمولی داشتند و برخی از آن‌ها نمونه‌های آماده و برخی هم سفارش‌های مشتریان بودند (در اصطلاح کاری، این را حملهٔ میکرو‌های کشنده می‌نامند).

امروزه طرح‌های موازی بر اساس ریزپردازنده‌های آمادهٔ نوع سرور ساخته می‌شوند از جمله Power PC, Itanium, x. ۸۶–۶۴ و مدرن‌ترین ابررایانه‌ها بسته (کلاستر)‌های رایانه‌ای با تنظیمات دقیق هستند که پردازنده‌های کم حجم و رابط‌های داخلی سفارشی و بسته به مورد دارند.

استفاده‌های عمومی از ابررایانه‌ها

ابررایانه‌ها با رم‌ها و کار آیی‌های بسیاری که دارند معمولاً برای عملیات حساس روی محاسبه از جمله مسائل فیزیک کوانتوم، هواشناسی، تحقیقات آب و هوا (از جمله تحقیق دربارهٔ گرم شدن کرهٔ زمین) مدل‌سازی مولکولی (مطالعهٔ ساختار‌ها و محتویات ترکیبات شیمیایی، ماکرومولکول‌های بیولوژیکی، پلیمر‌ها و بلورها) شبیه‌سازی‌های فیزیکی (مثل شبیه‌سازی هواپیما‌ها در تونل‌های هوا، شبیه‌سازی انفجار سلاح‌های هسته‌ای و تحقیق دربارهٔ پیوست هسته‌ای) تحلیل مخفی و … استفاده می‌شوند. دانشگاه‌های بزرگ، مراکز نظامی و آزمایشگاه‌های تحقیقات علمی بزرگ‌ترین کاربران آن هستند. نوع خاصی از مسائل به نام مسائل بسیار مشکل، مسائلی که حل کامل شان نیازمند منابع کامپیوتری نیمه بی پایان هستند.

ابررایانه‌ها در صنایع

کمپانی جنرال الکتریک که از پیشگامان عرصه‌ی هوافضاست، برای شبیه‌سازی پیشرفته‌ی موتور جت در Oak Ridge National Laboratory از ابر کامپیوتر‌ها استفاده می‌کند. هدف شبیه‌سازی‌ها این است که کمپانی GE بازدهی موتور‌های جت را بیشتر کند.

محققین Lawrence Livermore National Labs با استفاده از سوپرکامپیوتر‌ها به دنبال راه‌هایی برای جمع‌آوری اطلاعات زیرسطحی هستند تا در صنایع نفت و گاز برای شناسایی معادل در خلیج مکزیک مورد استفاده قرار گیرد و در نهایت به استخراج بیشتر سوخت‌های فسیلی منجر شود. مهندسین کمپانی بویینگ برای شبیه‌سازی هواپیما‌ها و ایرودینامیک‌شان به صورت دقیق، از سوپرکامپیوتر‌ها استفاده می‌کنند تا هواپیما‌هایی با امنیت بیشتر و بازدهی سوخت بالاتر طراحی شود.

ابررایانه‌ها در سازمان‌های دولتی

مراکز تحقیقاتی در حوزه‌ی ویروس و کنترل بیماری‌ها با استفاده از سوپرکامپیوتر‌ها به شبیه‌سازی ویروس‌هایی مثل ویروس هپاتیت نوع C. پرداخته‌اند. با استفاده از شبیه‌سازی‌های دقیق می‌توان راه‌های درمان جدید برای بیماری‌ها کشف کرد، همچنان که در مورد هپاتیت نوع C. این اتفاق افتاده است.

دپارتمان دفاعی ایالات متحده‌ی آمریکا با استفاده از سوپرکامپیوتر‌ها مدل جدید و دقیقی از وضعیت جوی تهیه کرده و به کمک آن می‌توان گردباد‌ها و طوفان‌های خطرناک را پیش‌بینی کرد. ممکن است حتی ۵ روز قبل از طوفان‌های خطرناک آن‌ها را پیش‌بینی کرد. به این ترتیب یکی از کاربرد‌های اصلی ابر کامپیوتر‌ها در هواشناسی است.

ابررایانه‌ها دربخش  نظامی

انجام برخی آزمایش‌های تسلیحات بسیار هزینه‌بر و مخرب است. به همین علت می‌توان از شبیه‌سازی‌های دقیق به کمک ابر کامپیوتر‌ها استفاده کرد.

یکی از عجیب‌ترین ابر کامپیوتر‌هایی که در صنایع نظامی استفاده شده، ابر کامپیوتری به اسم Condor Cluster است که ارتش آمریکا در سال ۲۰۱۰ برای نیروی هوایی ساخته است. مهندسین با استفاده از ۱۷۶۰ کنسول بازی پلی‌استیشن ۳ سونی! یک ابر کامپیوتر قدرتمند ساخته‌اند که قدرت محاسباتی آن ۵۰۰ ترافلاپس است. از این ابر کامپیوتر عجیب در تشخیص طرح‌ها، پردازش تصاویر ماهواره‌ای و تحقیقات در حوزه‌ی هوش مصنوعی استفاده می‌شود.