انواع ابر رایانه ها

یک ابر رایانه چه کار می کند و امروزه در کجا استفاده می شود؟ این وبلاگ را بخوانید تا متوجه شوید

جایی که شما را با دنیای ابررایانه ها، کارهایی که انجام می دهند، کاربردهایشان و موارد دیگر آشنا می کنیم…

حتی در حالی که جهان برای مبارزه با ویروس وحشتناک کرونا تلاش می کند، همه منابع در حال جمع شدن هستند. شاید تعجب آور نباشد که می بینیم IBM Summit، سریع ترین ابررایانه جهان (حداقل از نوامبر ۲۰۱۹)، نیز در خط مقدم این مبارزه قرار دارد.

بر اساس گزارش CNBC، اجلاس IBM 77 مولکول بالقوه را که ممکن است در درمان کروناویروس جدید مفید باشد، به صفر رسانده است. جالب است بدانید که این ابر رایانه – مستقر در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی – دارای حداکثر سرعت ۲۰۰ پتافلاپس است.

پس یک ابر کامپیوتر چیست؟ و petaFLOPS مخفف چیست؟ این وبلاگ در معرفی ابررایانه ها به توضیح این مفاهیم و موارد دیگر می پردازد.

سوپر کامپیوتر چیست؟

سوپرکامپیوتر کامپیوتری است که در مقایسه با کامپیوترهای همه منظوره از عملکرد بالایی برخوردار است. عملکرد یک ابر رایانه معمولاً از طریق عملیات ممیز شناور در ثانیه (FLOPS) ردیابی می شود. FLOPS معیاری از عملکرد کامپیوتر است که در زمینه‌های محاسبات علمی که به محاسبات ممیز شناور نیاز دارند، مفید است، محاسباتی که شامل اعداد واقعی بسیار کوچک و بسیار بزرگ هستند و معمولاً به زمان‌های پردازش سریع نیاز دارند. این اندازه گیری دقیق تر از میلیون دستورالعمل در ثانیه (MIPS) است.

از سال ۲۰۱۷، ما ابررایانه‌هایی داریم که می‌توانند بیش از صد کوادریلیون FLOPS به نام petaFLOPS انجام دهند. همچنین جالب است بدانید که امروزه، تمامی ۵۰۰ ابرکامپیوتر سریع جهان، سیستم عامل های مبتنی بر لینوکس را اجرا می کنند.

 

← مرکز محاسبات سریع شبیه‌سازان امیرکبیر  →

اینجا کلیک کنید!

تاریخچه ابر رایانه ها

ایالات متحده، چین، اتحادیه اروپا، تایوان و ژاپن در حال حاضر در حال رقابت برای ایجاد ابررایانه‌های سریع‌تر، قدرتمندتر و از نظر فناوری برتر هستند.

شاید بتوان اولین گام های بزرگ ایالات متحده در زمینه ابررایانه را به سال ۱۹۶۴ ردیابی کرد، زمانی که CDC 6600 توسط Control Data Corporation (CDC) تولید شد. این کامپیوتر که توسط مهندس برق و معمار ابررایانه آمریکایی سیمور کری طراحی شده است، به طور کلی به عنوان اولین ابررایانه موفق در نظر گرفته می شود، زیرا عملکردی تا سه مگا فلاپ را دارد. کری – به جای ترانزیستورهای ژرمانیومی – از ترانزیستورهای سیلیکونی استفاده کرد که می توانستند سریعتر کار کنند. علاوه بر این، او با استفاده از تبرید در طراحی ابررایانه، مشکل گرمای بیش از حد را حل کرد. CDC 6600 توسط CDC 7600 در سال ۱۹۶۹ دنبال شد.

در سال ۱۹۷۶، چهار سال پس از ترک CDC، کری Cray-1 80 مگاهرتزی را ارائه کرد، که با سرعت کلاک ۱۶۰ MFLOPS به یکی از موفق‌ترین ابررایانه‌های تاریخ تبدیل شد. سپس Cray-2 ارائه شد که در سال ۱۹۸۵ ارائه شد، با سرعت ۱٫۹ گیگا فلاپس و در آن زمان دومین ابررایانه سریع جهان پس از M-13 مسکو بود.

ابر رایانه های امروزی

از سال ۱۹۹۳، سریع‌ترین ابررایانه‌ها بر اساس قدرت محاسباتی ممیز شناور سیستمشان در فهرست TOP500 قرار گرفته‌اند. لنوو با ۱۱۷ واحد از ابرکامپیوترهای TOP50، در سال ۲۰۱۸ به بزرگترین ارائه دهنده ابر رایانه ها در جهان تبدیل شد.

همانطور که قبلا ذکر شد، سریعترین ابررایانه امروزی در لیست ابررایانه های TOP500، IBM Summit است. پس از آن Sierra، ابرکامپیوتر آمریکایی دیگر با حداکثر سرعت ۱۲۵ پتافلاپ قرار دارد. Sunway TaihuLight در Wuxi (چین)، Tianhe-2 در گوانگژو (چین)، Dell Frontera در آستین (ایالات متحده)، Piz Daint در لوگانو (سوئیس) و زیرساخت ابر پل‌سازی هوش مصنوعی (ABCI) در توکیو (ژاپن) برخی دیگر هستند. نمونه هایی از ابر رایانه های امروزی ایالات متحده همچنین با ۵ ابررایانه در لیست ۱۰ برتر قرار دارد در حالی که چین دو ابررایانه دارد.

انواع ابر کامپیوترها

دو دسته کلان ابررایانه ها: ابررایانه های همه منظوره و ابررایانه های مقاصد ویژه.

ابررایانه‌های هدف عمومی را می‌توان به سه زیردسته تقسیم کرد: ابررایانه‌های پردازش برداری، رایانه‌های خوشه‌ای با اتصال محکم و رایانه‌های کالایی. ابرکامپیوترهای پردازش برداری، آنهایی هستند که به پردازنده های برداری یا آرایه ای متکی هستند. این پردازنده ها اساساً مانند یک CPU هستند که می توانند عملیات ریاضی را روی تعداد زیادی از عناصر داده به سرعت انجام دهند. بنابراین این پردازنده‌ها برعکس پردازنده‌های اسکالر هستند که می‌توانند در یک زمان فقط روی یک عنصر کار کنند. در بخش علمی محاسبات رایج، پردازنده های برداری اساس اکثر ابررایانه ها را در دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۹۰ تشکیل دادند، اما اکنون چندان محبوب نیستند. گفته می‌شود، ابررایانه‌های امروزی دارای CPUهایی هستند که دستورالعمل‌های پردازش برداری را در خود جای داده‌اند.

رایانه های خوشه ای به گروه هایی از رایانه های متصل اطلاق می شود که به عنوان یک واحد با هم کار می کنند. اینها می توانند خوشه های مبتنی بر کارگردان، خوشه های دو گره، خوشه های چند گره و خوشه های موازی انبوه باشند. یک مثال محبوب می تواند خوشه ای با گره هایی باشد که سیستم عامل لینوکس و نرم افزار رایگان برای پیاده سازی موازی سازی دارند. Grid Engine توسط Sun Microsystems و Open SSI نیز نمونه هایی از چنین خوشه هایی هستند که عملکردهای تصویری تک سیستمی را ارائه می دهند.

خوشه‌های مبتنی بر کارگردان و خوشه‌های موازی اغلب به دلایل عملکرد بالا استفاده می‌شوند، حتی به عنوان خوشه‌های دو گره برای تحمل خطا استفاده می‌شوند. خوشه های بسیار موازی برای ابررایانه هایی ایجاد می کنند که در آن تعداد زیادی پردازنده به طور همزمان برای حل بخش های مختلف یک مشکل بزرگتر کار می کنند. آنها اساسا مجموعه ای از محاسبات هماهنگ را به صورت موازی انجام می دهند. اولین کامپیوتر موازی انبوه، ILLIAC IV در دهه ۱۹۷۰ بود. دارای ۶۴ پردازنده با بیش از ۲۰۰ MFLOPS بود.

در همین حال، خوشه‌های کالا اساساً تعداد زیادی از رایانه‌های کالایی (رایانه‌های شخصی استاندارد) هستند که توسط شبکه‌های محلی با پهنای باند بالا با تأخیر کم به هم متصل می‌شوند.

از سوی دیگر، رایانه‌های با هدف خاص، شامل ابر رایانه‌هایی هستند که با هدف صریح دستیابی به یک کار/هدف خاص ساخته شده‌اند. آنها معمولاً از مدارهای مجتمع ویژه برنامه (ASIC) استفاده می کنند که به نوبه خود عملکرد بهتری را ارائه می دهند. Belle، Deep Blue و Hydra – که همگی برای بازی شطرنج ساخته شده اند – و همچنین Gravity Pipe برای اخترفیزیک، MDGRAPE-3 برای محاسبات ساختار پروتئین دینامیک مولکولی چند نمونه قابل توجه از ابرکامپیوترهای خاص هستند.

توانایی بیش از ظرفیت

ابررایانه‌ها معمولاً طوری برنامه‌ریزی می‌شوند که محاسبات قابلیت را بیش از محاسبه ظرفیت دنبال کنند. محاسبات قابلیت جایی است که حداکثر توان محاسباتی برای حل یک مشکل بزرگ – مثلاً شبیه‌سازی آب و هوای بسیار پیچیده – در کوتاه‌ترین زمان ممکن به کار گرفته می‌شود. محاسبات ظرفیت زمانی است که از توان محاسباتی کارآمد و مقرون به صرفه برای حل چند مشکل نسبتاً بزرگ یا چندین مشکل کوچک استفاده می شود. اما چنین معماری‌های محاسباتی که برای حل کارهای روزمره معمولی به کار می‌روند، با وجود ظرفیت عظیمشان، اغلب ابررایانه محسوب نمی‌شوند. این به این دلیل است که از آنها برای مقابله با یک مشکل بسیار پیچیده استفاده نمی شود.

مدیریت گرما در ابر رایانه ها

یک ابرکامپیوتر معمولی مقدار زیادی انرژی الکتریکی مصرف می کند که تقریباً تمام آن به گرما تبدیل می شود و بنابراین نیاز به خنک کننده دارد. مانند رایانه های شخصی ما، گرمای بیش از حد در عملکرد ابرکامپیوتر اختلال ایجاد می کند زیرا طول عمر چندین جزء آن را کاهش می دهد.

رویکردهای زیادی برای مدیریت گرما وجود دارد، از پمپاژ فلورینرت از طریق سیستم گرفته تا سیستم خنک‌کننده هیبریدی مایع-هوا یا خنک‌کننده هوا با دمای معمولی تهویه مطبوع. سازندگان نیز به مراحلی مانند استفاده از پردازنده های کم مصرف و خنک کننده آب گرم متوسل شده اند. و از آنجایی که سیم‌های مسی می‌توانند انرژی را به یک ابرکامپیوتر با چگالی توانی بالاتر از سرعتی که هوای اجباری یا مبردهای در گردش می‌توانند گرمای اتلاف را حذف کنند، انتقال دهند، توانایی سیستم‌های خنک‌کننده برای حذف گرمای اتلاف همچنان یک عامل محدودکننده است.

موارد استفاده/ کاربردهای ابررایانه ها

در حالی که ابرکامپیوترها (بخوانید Cray-1) عمدتاً برای پیش‌بینی آب و هوا و تحقیقات آیرودینامیکی در دهه ۱۹۷۰ مورد استفاده قرار گرفتند، دهه بعد شاهد استفاده از آنها برای تحلیل احتمالی و مدل‌سازی محافظ تشعشع بودیم. دهه ۱۹۹۰ زمانی بود که از ابررایانه‌ها برای شکستن کدهای brute force استفاده می‌شد، حتی زمانی که استفاده از آن‌ها به شبیه‌سازی‌های آزمایش هسته‌ای سه بعدی تغییر کرد. در دهه گذشته (از سال ۲۰۱۰) ابررایانه ها برای شبیه سازی دینامیک مولکولی استفاده شده اند.

کاربردهای ابررایانه های امروزی نیز شامل مدل سازی آب و هوا (پیش بینی آب و هوا) و تحقیقات علوم زیستی است. به عنوان مثال، کامپیوتر IBM Blue Gene/P برای شبیه سازی تعدادی نورون مصنوعی معادل حدود یک درصد از قشر مغز انسان، حاوی ۱٫۶ میلیارد نورون با تقریباً ۹ تریلیون اتصال، استفاده شده است. علاوه بر این، ابر رایانه ها توسط دولت ها استفاده می شوند. برنامه شبیه سازی و محاسبات پیشرفته – که توسط آژانس فدرال ایالات متحده اداره امنیت ملی هسته ای (NNSA) اداره می شود – در حال حاضر برای مدیریت و شبیه سازی ذخایر هسته ای ایالات متحده به ابررایانه ها متکی است.