آشنایی با سیستم های محاسبات سنگین hpc

محاسبات سنگین یا High performance computing که به اختصار hpc گفته می شود، فناوری جدید پردازش داده های چند بعدی است. در فناوری محاسبات سنگین hpc، ریز پردازنده های قدرتمند خوشه ای به صورت موازی پردازش کرده و یک کار را کامل می کنند. این مجموعه در پردازش داده های چند بعدی بسیار عظیم و حل مسائل پیچیده با سرعت بسیار بالا، مورد استفاده قرار می گیرند.

تاریخچه

تاریخچه محاسبات با کارایی بالا (HPC) با پیشرفت‌های فناورانه به تدریج قدرت و قابلیت‌های محاسباتی را افزایش داده‌اند. پیشرفت در این زمینه مانند سایر زمینه‌ها در طی چندین دهه رخ داده است که آن را مروری می‌کنیم:

1. پایه و اساس اولیه (دهه 1940-1960)
   ENIAC (1945): انتگرالگر و کامپیوتر عددی الکترونیکی (ENIAC) به عنوان اولین کامپیوتر الکترونیکی همه منظوره در نظر گرفته می شود. برای محاسبات در مناطقی مانند جداول شلیک توپخانه و پیش بینی آب و هوا از آن بهره گیری می‌شد.
   IBM 701 (1952): اولین کامپیوتر علمی تجاری IBM، 701، اغلب برای تحقیقات علمی مورد استفاده قرار گرفت.
   CDC 6600 (1964): CDC 6600 که توسط سیمور کری طراحی شد، اولین ابررایانه به حساب می‌آید. این رایانه قادر به انجام حداکثر سه میلیون دستورالعمل در ثانیه (MIPS) بود که آن را به سریع ترین رایانه زمان خود تبدیل کرد.
2. دوره کرای و پردازش برداری (دهه 1970-1980)
   Cray-1 (1976): Cray-1، توسعه یافته توسط Cray Research، به دلیل قابلیت‌های پردازش برداری نوآورانه‌اش، که عملکرد را برای کاربردهای علمی و مهندسی بسیار افزایش داد، مورد توجه قرار گرفت.
   ابررایانه های برداری: در این دوره، پردازش برداری به یک فناوری کلیدی در HPC تبدیل شد، با ماشین هایی مانند Cray X-MP و Y-MP که استانداردهای عملکرد جدیدی را تعیین کردند.
3. پردازش موازی و ظهور پردازشگرهای موازی انبوه (دهه 1990)
   ماشین اتصال (1985): ماشین اتصال که توسط Thinking Machines Corporation توسعه یافت، یکی از اولین پردازنده‌های موازی گسترده (MPP) بود که از هزاران پردازنده برای دستیابی به سرعت محاسباتی بالا استفاده می‌کرد.
   ابتکار ASCI (1995): ابتکار محاسبات استراتژیک تسریع شده (ASCI) توسط وزارت انرژی ایالات متحده برای توسعه ابررایانه هایی با قابلیت شبیه سازی آزمایش های سلاح هسته ای راه اندازی شد که منجر به پیشرفت های قابل توجهی در پردازش موازی و یکپارچه سازی سیستم شد.
4. محاسبات Terascale و خوشه های Beowulf (اواخر دهه 1990-2000)
   ASCI Red (1997): با دستیابی به یک ترافاپ (تریلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه)، ASCI Red اولین کامپیوتری بود که این مانع را شکست و نقطه عطف مهمی در HPC بود.
   خوشه‌های Beowulf: توسعه خوشه‌های Beowulf، که مجموعه‌ای از سخت‌افزارهای کالایی بودند که برای کار با هم به عنوان یک ابرکامپیوتر واحد پیکربندی شده‌اند، دسترسی به HPC را با ارائه جایگزینی مقرون‌به‌صرفه برای ابررایانه‌های سنتی دموکراتیک کرد.
5. محاسبات Petascale (دهه 2000)
   Roadrunner (2008): رودرانر IBM نخستین ابررایانه ای بود که سد پتافلاپ را شکست و قادر به انجام یک کوادریلیون عملیات در ثانیه بود. این ابررایانه از یک معماری ترکیبی استفاده می کرد که پردازنده ها را با واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) ترکیب می کرد.
   محاسبات GPU: استفاده از پردازنده‌های گرافیکی، که در ابتدا برای رندر کردن گرافیک طراحی شده بودند، در HPC به دلیل توانایی آنها در انجام محاسبات موازی به طور موثر برجسته شد.
   
6. Exascale Computing and Beyond (دهه 2010 تا کنون)
   تیِن هه (2013): تیِن هه چین برای چندین سال سریعترین ابررایانه جهان بود که رقابت جهانی در HPC را نشان می داد.
   Summit and Sierra (2018): توسط IBM برای وزارت انرژی ایالات متحده توسعه داده شد، Summit و Sierra از ترکیبی از CPU و GPU برای دستیابی به سرعت محاسباتی بی سابقه استفاده کردند.
   محاسبات Exascale: عصر exascale، سیستم هایی را هدف قرار می دهد که قادر به انجام حداقل یک اگزافلاپ (یک کوینتیلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه) هستند، مرز فعلی است. پروژه محاسباتی Exascale وزارت انرژی ایالات متحده می‌خواهد چنین سیستم هایی را توسعه دهد، با ماشین هایی مانند Frontier و Aurora که انتظار می رود این مسئولیت را به انجام برسانند.
7. نگاهی به آینده
   هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی: ادغام AI و ML با سیستم‌های HPC باعث پیشرفت در هر دو زمینه می‌شود و شبیه‌سازی پیچیده‌تر، تجزیه و تحلیل داده‌ها و مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده را ممکن می‌سازد.
   محاسبات کوانتومی: اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود است، اما این پتانسیل را دارد که HPC را با حل مشکلاتی که در حال حاضر برای کامپیوترهای کلاسیک غیرقابل حل هستند، متحول کند.
   
   
8. خلاصه
   تاریخچه محاسبات با کارایی بالا با نوآوری مداوم مشخص می شود، از روزهای اولیه محاسبات الکترونیکی تا فشار فعلی به سمت مقیاس بزرگ و محاسبات کوانتومی. هر دوره با پیشرفت هایی در سخت افزار، معماری و تکنیک های محاسباتی، پیشرفت در علم، مهندسی و فراتر از آن تعریف شده است.
   
   
   

ضرورت وجود سیستم هایی با محاسبات سنگین

سیستم های محاسبات سنگین hpc با داشتن قابلیت های چشمگیر، راه رسیدن به پیشرفت ها و نتایج علمی را برای مهندسان، دانشمندان و محققان به خوبی باز کرده اند. داشتن مشخصه های منحصر به فرد زیر در این دستگاه ها، وجود آنها را برای پیشرفت علم و انجام محاسبات سنگین و پیچیده به یک ضرورت تبدیل ساخته است.

• سرعت خیره کننده: انجام محاسبات عظیم، الگوریتم ها و معادلات پیچیده و پیشرفته به کمک سیستم های محاسبات سنگین hpc، در کسری از ثانیه به انجام خواهند رسید. با وجود این فناوری نیاز به صرف هفته ها یا ماه ها زمان برای انجام چنین محاسباتی نخواهد بود.
• صرفه جویی در هزینه ها: انجام سریعتر محاسبات سنگین، عملی و اجرایی شدن پروژه ها را با سرعت بیشتری همراه خواهد ساخت. این امر سبب کاهش هزینه های اولیه و صرف زمان کمتر برای انجام این محاسبات می شود.
• انجام تست های غیر فیزیکی دقیق: بسیاری از پروژه ها و برنامه های کاربردی، پیش از بهره برداری، به شواهد و تست های فیزیکی نیاز دارند. به کمک مجموعه سیستم های محاسبات سریع و انجام شبیه سازی های مجازی دقیق در آنها، این کار با دقت و سرعت بیشتر، هزینه، خطا و تلفات کمتری به انجام خواهد رسید.