ابررایانه‌ها و هزار تریلیون محاسبه در ثانیه

شرکت IBM در دهه‌1950 برای نخستین بار ابر رایانه‌ای را به دنیا معرفی کرد که به عقیده کارشناسان، این ابررایانه یکی از مهم‌ترین سیستم‌ها در عصر کامپیوتر محسوب می‌شد.

ابررایانه‌های بعدی در دهه 1960به‌طور عمده در مؤسسه اطلاعات کنترل (CDC) توسط سیمور کری طراحی شد.

کری تا دهه 1970 زمانی که برای تاسیس شرکت خود پژوهشکده کری، از آن جدا شد آن را هدایت می‌کرد. کری بعدها با طرح‌های جدید خود بازار ابررایانه را در دست گرفت و تا 25‌سال (1965 -1990) بی‌رقیب ماند.

امروزه ابررایانه‌ها طرح‌های یک بار تولید‌شونده هستند که توسط شرکت‌هایی مانند IBM و HP طراحی می‌شوند. این شرکت‌ها بسیاری از شرکت‌های دهه‌1980 را برای استفاده از تجاربشان خریداری کردند، هر چند در طراحی ابررایانه‌ها مؤسسه کری متخصص‌تر است.

معنای کلمه ابررایانه تا حدی متغیر است و ابررایانه‌های امروزی فردا دیگر کاربردی نخواهند داشت، همانگونه که از کولاسوس، نخستین رایانه الکترونیکی برنامه‌دار رقمی دنیا، که طی جنگ جهانی دوم رمز‌های آلمانی‌ها را می‌شکست دیگر خبری نیست.

ماشین‌های اولیه CDC صرفاً پردازنده‌های منفرد پرسرعتی بودند که تا 10 برابر سریع‌تر از سریع‌ترین ماشین‌هایی که توسط دیگر شرکت‌ها معرفی شده بودند کار می‌کردند.

در دهه‌1970 بیشتر ابررایانه‌ها برای استفاده از پردازنده برداری طراحی می‌شدند و بسیاری از بازیگر‌های تازه کار برای ورود به بازار، پردازنده‌هایی از این نوع را با قیمت ارزان‌تر عرضه می‌کردند.

در دهه‌های‌1980و 1990 پردازنده‌های برداری جای خود را به سیستم‌های پردازش موازی فشرده با هزاران سی‌پی‌یو( CPU)ساده‌ای داد که برخی از آنها واحد‌های غیرمرسوم و برخی طرح‌های متداول و سنتی بودند.

رکورد سرعت ابررایانه‌ها

شرکت رایانه‌سازی‌‌ای بی‌ام، ساخت سریع‌ترین ابررایانه تجاری جهان را به پایان برده است.  بلو جین/پی (Blue‌ Gene/P) سه برابر از سریع‌ترین دستگاه موجود، یعنی بلو جین/ ال که آن هم ساخت‌آی بی‌ام است، سریع‌تر است. این ابررایانه حدود 100هزار برابر از رایانه‌های خانگی قدرتمندتر است.

در حالی که در رایانه‌های معمولی، عموما از یک یا 2پردازشگر (پروسسور) برای انجام محاسبات استفاده می‌شود، یک سیستم استاندارد بلو جین/پی شامل مجموعه‌ای بالغ بر 294هزار پردازشگر است.

این رایانه به‌طور عادی می‌تواند با سرعت ثابت یک پیتافلوپ (petaflop) کار کند؛ یعنی می‌تواند در هر ثانیه هزارتریلیون محاسبه انجام دهد.

با این حال بلو جین/پی قابلیت رسیدن به سرعت 3پیتافلوپ را نیز داراست. با افزایش تعداد پردازشگرها به 884هزار، این ابررایانه می‌تواند در هر ثانیه، 3هزار تریلیون محاسبه انجام دهد.

به گفته‌ ای‌بی‌ام، در هر ثانیه بلو‌جین/پی می‌تواند از 5/2‌کیلومتر لپ‌تاپ که روی هم چیده شده باشند، بیشتر عملیات انجام دهد. گفته شده نخستین دستگاه بلو جین/پی را دولت آمریکا خریداری کرده که در لابراتوار ملی آرگون متعلق به وزارت انرژی این کشور نصب شده است.

2دستگاه دیگر را نیز آزمایشگاه‌هایی در آمریکا خریده‌اند و چهارمین رایانه را تاسیسات علوم و فناوری بریتانیا سفارش داده است.

سریع، سریع، سریع‌تر

سرعت یک رایانه عموماً با فلاپ (عملیات‌های اعشاری در هر ثانیه) اندازه‌گیری می‌شود. این اندازه‌گیری هزینه سربار ارتباطات را نادیده گرفته و فرض می‌کند که تمام پردازنده‌های ماشین به داده‌ها دسترسی و با تمام سرعت کار می‌کنند.

بنابر این به‌عنوان یک استاندارد متری ایده‌آل نیست ولی به هر حال به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در 29‌سپتامبر سال‌2004 سریع‌ترین ابررایانه‌ها نمونه اولیه Blue Gene/L با 250/16پردازنده ساخت ‌آی بی ام بود؛ این ابررایانه می‌توانست با سرعت 01/36 ترا فلاپ کار کند. قبل از Blue Gene/L سریع‌ترین ابررایانه شبیه ساز زمین در مؤسسه علوم زمین یوکوماها ژاپن بود.

این ابررایانه کلاستری از 640 رایانه 8‌پردازنده‌ای متعارف و برداری مبتنی بر معماری NEC SX-6 (با مجموع 5120 پردازنده) بود و از یکی از نسخه‌های سفارشی شده سیستم عامل یونیکس استفاده می‌کرد.

کاربرد ابررایانه‌ها

ابررایانه‌ها برای کارهایی که به محاسبات زیاد و دقیق نیازمند است به کار می‌رود از جمله: پیش‌بینی وضع هوا ، تحقیقات آب و هوایی (‌که شامل گرم شدن جهانی می‌شود)، نمونه‌سازی‌ مولکولی (محاسبه ساختار‌ها و خصوصیات ترکیب‌های شیمیایی، درشت مولکول‌های زیستی، بلور‌ها، شبیه‌سازی‌‌های فیزیکی ( مانند شبیه‌سازی‌ هواپیما در تونل باد، شبیه‌سازی‌ انفجارجنگ افزار‌های هسته‌ای و تحقیقات در مورد جوش هسته‌ای)، رمز گشایی و مانند آن. مؤسسه‌های نظامی و علمی از بزرگ‌ترین مشتری‌های ابررایانه‌ها هستند.

دومین ابررایانه کشور

دومین ابر رایانه کشور توسط گروه فیزیک‌دانشکده علوم دانشگاه اصفهان ساخته شد و مورد بهره‌برداری قرار گرفت. این ابر رایانه که G0 نام دارد، یک کلاستر محاسباتی با   60گره محاسباتی است و قدرت پردازش آن 300(300Gfگیگا فلاپس) است.

یکی از اعضای تیم طراحی ابر رایانه G0 گفت: این‌ رایانه پس از ابررایانه‌ای که دانشگاه امیرکبیر برای سازمان هواشناسی کشور طراحی و ساخته، دومین ابررایانه کشور است، قیمت تمام شده ابررایانه G0 300هزار دلار است اما خرید ابررایانه‌ای با توان G0 از کشورهای صاحب این فناوری 2میلیون دلار هزینه در بردارد.

این ابر رایانه با سیستم عامل گنولینوکس کار می‌کند و توان انجام  4/4میلیون عمل را در ثانیه دارد.

پروژه فوق استراتژیک ابررایانه ایران

چندی پیش منصور کبگانیان- معاون پژوهشی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری- از موفقیت ایران در طراحی و ساخت ابررایانه خبر داد و گفت: این ابر رایانه قدرت محاسباتی 86‌میلیارد دستور در ثانیه را دارد.

به گفته وی پروژه ابررایانه به‌صورت فوق استراتژیک در ایران طرح و از سال‌80 طراحی و تست اولیه آن آغاز شد. این ابررایانه سیستم پلاستر با 32 پردازشگر پتنیوم 3 و 216 هسته پردازشی دارد و در دانشگاه صنعتی امیرکبیر طراحی و ساخته شده است.

دانشگاه‌های دیگری چون صنعتی اصفهان و صنعتی شریف و مرکز پژوهش‌های بنیادین در حال ساخت ابررایانه‌های دیگری هستند و در آینده‌ای نزدیک شبکه‌ای از ابررایانه‌ها خواهیم داشت که سبب می‌شود پژوهشگران ایرانی مشکلی در انجام محاسبات پژوهشی با سرعت‌های بسیار بالا نداشته باشند.

با ساخت این ابررایانه ایران نیز در جرگه کشورهایی که توان ساخت ابررایانه را دارند، در رتبه شصت و هفتم قرار گرفت. قرارداد ساخت این ابررایانه با هواشناسی بسته شده است .

محققان دانشگاه امیرکبیر می‌گویند قوی‌ترین ابررایانه ‌ کشور را با استفاده از 216‌میکروپردازشگر AMD ساخته‌اند. دانشمندان و محققان مرکز عالی تحقیقات محاسبات دانشگاه امیرکبیر در ساخت قوی‌ترین ابررایانه ایران از ساختار شاخه لینوکس در ساخت سیستم پردازشگرهای Opteron استفاده کردند.این ابررایانه از حداکثر قابلیت عملکرد 860 گیگا فلوپ برخوردار است. هر گیگافلوپ معادل یک میلیارد محاسبه در یک ثانیه است.

مرکز ملی ابررایانه

به گفته مسئول مرکز تحقیقات پردازش‌های فوق سریع دانشگاه امیرکبیر نخستین مرکز ملی ابررایانه به پیشنهاد معاونت فناوری ریاست‌جمهوری ایجاد می‌شود. نخستین مرکز ملی ابررایانه کشور در شهر تهران قرار داشته و فازهای نهایی آن در سال‌88 تکمیل و به پایان خواهد رسید.

بعد از شهر تهران در دیگر مراکز استان‌های کشور مراکز ملی ابررایانه دایر خواهد شد. متولی این مرکز معاونت فناوری ریاست‌جمهوری و اجرای آن به‌عهده دانشگاه‌های فنی خواهد بود.

طراحی نرم افزار جایگزین ابررایانه درایران

پژوهشگر ایرانی برای نخستین بار در جهان موفق به طراحی و تولید سیستم نرم افزاری مدیریتی شده که قادر است جایگزین ابررایانه شود.

دکتر محسن میرشریفی، مجری و طراح نرم‌افزار و رئیس دانشکده مهندسی رایانه دانشگاه علم و صنعت، می‌گوید: این سیستم نرم‌افزاری در نحوه اجرا و پردازش محاسبات و داده‌ها منحصر به فرد است و در مقایسه با تنها رقیب آمریکایی خود، با ورود به هسته سیستم عامل و با سرعتی بسیار بالا‌تر و هزینه کمتر قادر به انجام محاسبات سنگین و پرحجم در حوزه‌های کاربردی استراتژیک مثل هواشناسی، زمین شناسی، نظامی، زلزله‌نگاری و اکتشاف نفت است.

مجری پروژه نرم‌افزار «سی- شریفی» مدت ٢١سال روی آن کار کرده است، این نرم افزار در سطح هسته سیستم عامل، پیاده‌سازی‌ می‌شود، بنابراین، این امکان را فراهم می‌کند تا یک سیستم عامل مبتنی بر لینوکس یا متن باز شبکه‌ای به یک سیستم عامل مدیریت کلاستر تبدیل شود و قدرت پردازش داده‌های بسیار بزرگ و پیچیده را با سرعت زیاد پیدا کند.این سیستم نرم افزاری یک سیستم خوشه‌ای است که روی هر نوع رایانه و لپ‌تاپی قابل نصب است.

البته رایانه‌های مورد نظر باید به هم شبکه (هم‌بند) شود، پس از اتصال آنها به یکدیگر، از نرم افزار مدیریت «سی- شریفی» برای ایجاد کلاستر و خوشه استفاده می‌شود که در لایه هسته سیستم عامل کار انجام می‌دهد؛

در حالی که نرم‌افزار مشابه آمریکایی در لایه هسته سیستم عامل کار نمی‌کند. با این ویژگی، نرم‌افزار «سی-شریفی» قابلیت انطباق و اختصاصی شدن با هر کاربرد استراتژیکی را دارد.

این نرم‌افزار در ٢ زمینه بسیار حساس و مهم هواشناسی و یک بخش استراتژیک آزمایش شده است.

نرم‌افزار سیستمی و بنیادین «سی-شریفی» به‌عنوان یک نرم‌افزار سیستمی که در لایه دوم مدل عمومی کلاستر قرار می‌گیرد و وظیفه ایجاد و مدیریت سیستم  کلاستری را برعهده دارد، علاوه بر برآورده ساختن تمامی ویژگی‌های ارائه شده از سوی نرم‌افزارهای مشابه خارجی، این امکان را فراهم می‌آورد که بدون استفاده از هیچ نرم‌افزار جانبی دیگر و به‌ویژه احتیاج به هیچ زبان برنامه‌سازی دیگری، (‌که وجود زبان‌های برنامه‌سازی مختلف در این حوزه خود یکی از چالش‌های اساسی بشر است) اقدام به ارائه سرویس‌های خود کند.

از سوی دیگر یکی از ویژگی‌های نرم‌افزار سیستمی و بنیادین «سی- شریفی» که وجه اصلی افتراق این نرم‌افزار سیستمی و بنیادین با سایر نرم‌افزارهای مطرح در این حوزه هستند و باعث شده است که سبک و سیاق جدیدی در زمینه سطح پیاده‌سازی نرم‌افزارهای موجود در این حوزه ایجاد گردد، سطح پیاده‌سازی این نرم‌افزار سیستمی و بنیادین است.

نرم‌افزار بنیادین و سیستمی «سی-شریفی» برخلاف سایر نرم‌افزارهای موجود در این حوزه که در سطوح بالای سطح سیستم‌عامل پیاده‌سازی شده‌اند، درون هسته سیستم‌عامل و در لایه نرم‌افزارهای سیستمی پیاده‌سازی شده است که همین امر موجب شده است تا ویژگی‌های جدیدی در این حوزه نظیر قابلیت بالای اعتماد به سیستم، بهره‌گیری از کامپایلرهای موجود درون سیستم‌عامل وارد این حوزه شوند.

نسل جدید ابررایانه‌ها

نسل جدید ابررایانه‌ها در راه است. شرکت IOM مشغول طراحی نسل جدیدی از ابررایانه است که به‌زودی به‌عنوان قدرتمندترین رایانه جهان شناخته خواهد شد. ساخت این ابررایانه که اختاپوس نام دارد در لابراتوار بین‌المللی لوس آلموس واقع در نیومکزیکوی آمریکا انجام خواهد گرفت.

گفته می‌شود عملکرد این ابررایانه، 1000 تریلیون محاسبه در هر ثانیه خواهد بود. هزینه تولید این ابررایانه طی 3سال ساخت آن 110‌میلیون دلار برآورد شده است.

سریع‌ترین سوپرکامپیوتر فعلی

Roadrunner ساخت آی بی‌ ام  در25 مه‌2008 سریع‌ترین کامپیوتری است که با آمار پردازش برابر 1/7petaflop کار می‌کرد و در بین 500 ابررایانه جهان نخستین رایانه‌ای است که موفق به رسیدن به سرعت 1/0 petaflof شد.

آی بی ام این ابررایانه را برای وزارت نیرو و وزارت امنیت اتمی آمریکا طراحی کرده است. این رایانه طرحی آمیخته از 960/12 عدد پردازنده IBM PowerXCell 8i و 480/6 عدد پردازنده 2 هسته‌ای AMD Opteron است.

سیستم عامل این ابررایانه متشکل از Red Hat Enterprise Linux و Fedora است. این ابررایانه فضایی به مساحت 6000 فوت مربع (حدود 560 مترمربع) را اشغال کرده است و در سال‌2008 آغاز به کار کرده است.

انواع ابررایانه‌های همه‌کاره

3دسته اصلی از ابررایانه‌های همه کاره وجود دارد: ماشین‌های مبتنی بر پردازش موازی، عملیات‌های محاسباتی مشترک را در آن واحد بر حجم زیادی از داده انجام می‌دهد.

رایانه‌های خوشه‌ای با کابل‌کشی کوتاه برای پشتیبانی از تعداد زیادی پردازنده و برای اینکه حافظه آنها بتواند با هم در ارتباط باشد از رابط‌های مخصوص استفاده می‌کنند. پردازنده‌ها و وسایل کابل کشی از ابتدا برای ابررایانه‌ها طراحی می‌شوند. سریع‌ترین ابررایانه‌های همه کاره دنیا از این فناوری استفاده می‌کنند.

خوشه‌های commodity از تعداد زیادی پی‌سی‌های commodity که با شبکه‌های محلی با پهنای باند زیاد و سرعت عکس‌العمل کم به هم مرتبط هستند استفاده می‌کنند.