مروری بر ابر رایانه ها

ابر رایانه وسیله ای برای تبدیل مسایل محاسبه ای به مسایل ورودی و خروجی است. كن باچر ابر رایانه ای است كه در زمان معرفی از نظر ظرفیت پردازش و به خصوص سرعت محاسبه ازدیگر ماشین ها قوی تر باشد. اولین ابر رایانه ها در دهه ۱۹۶۰ به طور عمده در موسسه اطلاعات كنترل (CDC) توسط سیمور كری طراحی شد. كری تا دهه ۱۹۷۰ زمانی كه برای تاسیس شركت خود پژوهشكده كری، از آن جدا شد آنرا هدایت می كرد. كری بعدها با طرح های جدید خود بازار ابر رایانه را در دست گرفت و تا ۲۵ سال (۱۹۶۵-۱۹۹۰ ) بی رقیب ماند. در دهه ۱۹۸۰به موازات تولید یك دهه قبل تر كامپیوتر كوچك هاشمار زیادی از رقیبان كوچكتر وارد بازار شدند اما بسیاری از آنها در ركود بازار ابر رایانه های اواسط دهه ۱۹۹۰ ناپدید شدند. امروزه ابر رایانه ها طرح های یك بار تولید شونده هستند كه توسط شركت های سنتی مانندIBM وHP طراحی می شوند. این شركت ها بسیاری از شركت های دهه ۱۹۸۰ را برای استفاده از تجاربشان خریداری كردند هر چند در طراحی ابر رایانه ها موسسه كری متخصص تر است.
معنای كلمه ابر رایانه تا حدی متغیر است، و ابر رایانه های امروزی فردا دیگر كاربردی نخواهند داشت همانگونه كه از كولاسوس (اولین رایانه الكترونیكی برنامه دار رقمی دنیا كه طی جنگ جهانی دوم رمز های آلمانی ها را می شكست) پیدا است. ماشین های اولیه ی سی دی سی (CDC) صرفا پردازنده های منفرد پر سرعتی بودند كه تا ده برابر سریع تر از سریع ترین ماشین هایی كه توسط دیگر شركت ها معرفی شده بودند كار می كردند. در دهه ۱۹۷۰ بیشتر ابر رایانه ها برای استفاده از پردازنده برداری طراحی می شدند و بسیاری از بازیگر های تازه كار برای ورود به بازار پردازنده هایی از این نوع را با قیمت ارزان تر عرضه می كردند. در دهه های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ پردازنده های برداری جای خود را به سیستم های پردازش موازی فشرده با هزاران سی پی یو (CPU) ساده ای داد كه برخی از آنها واحد های غیر مرسوم و برخی طرح های متداول و سنتی بودند. امروزه طرح های موازی بر پایه ریزپردازنده های RISC غیر مرسوم مانند Power PC یا PA_RISC قرار دارند.
●ابزارهای نرم افزاری
ابزار های نرم افزاری پردازش توزیعی API های استاندارد از جمله MPI وPVM و راه حل های نرم افزاری متكی بر منبع باز مانند Beowulf وOpenMosix كه كار ساخت نوعی از ابر رایانه های مجازی با استفاده از مجموعه های ایستگاه كار ها و خدمتگزار های عادی را تسهیل بخشید را شامل می شود. فن آوری هایی مانند Rendezvous راه تولید خوشه های رایانه های ویژه را هموار ساخت. یك نمونه تابع تفسیر توزیعی در برنامه كاربردی تركیبیShake ۰۳۹ Apple است. رایانه هایی كه از نرم افزار Shake استفاده می كنند كافی است فقط در شبكه در مجاورت یك دیگر باشند تا به طور خود كار منابع همدیگر را پیدا و مورد استفاده قرار دهند. در حالی كه هنوز هیچ كس خوشه رایانه ویژه ای بهتر از ابر رایانه های سال گذشته نساخته است فاصله بین رایانه های رومیزی یا حتی لب تاپ ها و ابر رایانه ها در حال ناپدید شدن است و این احتمال وجود دارد كه این روند با افزایش پشتیبانی توكار برای همسانی(Parallelism) و پردازش توزیعی در سیستم عامل های رایانه های رومیزی تداوم یابد. یك زبان برنامه نویسی آسان برای ابر رایانه ها مبحث تحقیقاتی باز و وسیعی را در علم رایانه به جای می گذارد.
●كاربردها
ابر رایانه ها برای كارهایی كه به محاسبات زیاد و دقیق نیازمند است به كار می رود از جمله: پیش بینی وضع هوا، تحقیقات آب و هوایی ( كه شامل گرم شدن جهانی می شود) نمونه سازی مولكولی (محاسبه ساختارها و خصوصیات تركیب های شیمیایی، درشت مولكول های زیستی، بسپارها، و بلورها، شبیه سازی های فیزیكی (مانند شبیه سازی هوا پیما در تونل باد، شبیه سازی انفجار جنگ افزار های هسته ای و تحقیقات در مورد جوش هسته ای ) رمز گشایی و مانند آن. موسسه های نظامی و علمی از بزرگترین مشتری ها می باشند.
●طراحی
ابر رایانه ها به دلیل به كار گیری طرح های ابتكاری و جدید با سرعتی بیشتر از رایانه های متداول كار می كنند. این طرح ها آن ها را قادر می سازد بسیاری كارها را با وجود نیاز به بررسی فنی جزییات بغرنج به صورت موازی انجام دهند. آن ها بیشتر برای انجام گونه های خاصی از محاسبات تخصص دارند و در برابر بیشتر كارهای محاسباتی عادی عملكرد ضعیفی از خود نشان می دهند. سازمان دهی حافظه این رایانه ها به دقت تنظیم شده است تا در تمام زمان ها پردازنده با داده ها و دستور العمل ها تغذیه شود. در واقع، بیشتر تفاوت پیاده سازی بین رایانه های كند تر و ابر رایانه ها به خاطر طرح سازمان دهی حافظه و تركیب بندی اجزا است.
قانون Amdahl برای تمام سیستم های موازی صادق است. ابر رایانه ها تلاش زیادی را برای حذف توالی نرم افزاری اعمال كرده و برای شتاب دادن به تنگنا های باقی مانده از سخت افزار بهره می گیرند.
●چالش های ابر رایانه و فن آوری ها
یك ابر رایانه تولید گرما می كند و باید خنك شود. خنك سازی بیشتر ابر رایانه ها یك مشكل HVAC بزرگ است.
اطلاعات نمی تواند با سرعتی بیشر از سرعت نور بین دو جزء یك ابر رایانه جا به جا شود. به همین دلیل ابر رایانه هایی كه چندین متر طول دارند باید دارای زمان پاسخگویی دست كم یك دهم نانو ثانیه باشد. به این خاطر در طرح ابر رایانه كری ساخت سیمور كری از كابل های كوتاه استفاده شده بود.
ابر رایانه ها مقادیر زیادی داده را در مدت زمان كوتاهی مصرف و تولید می كنند. برای اطمینان از این كه اطلاعات به سرعت منتقل و به درستی ذخیره و باز یابی می شود به كاری بیشتر نیاز است.
●فن آوری هایی كه برای ابر رایانه ها شكل گرفته اند عبارتند از:
الف پردازش برداری
ب - خنك سازی به كمك مایع
ج - دسترسی به حافظه نا یكنواخت(NUMA)
د - لوح های شیاری ( كه اولین نمونه بر آن بعدها RAID نام گرفت)
ح - سیستم فایل موازی
●تكنیك های پردازش
تكنیك های پردازش برداری اول بار برای ابر رایانه ها توسعه یافت و همچنان در برنامه های كاربردی با كارایی بالامتخصص مورد استفاده قرار می گیرد. تكنیك های پردازش برداری به بازار مجتمع در معماری DSP ودستورهای پردازش SIMD برای رایانه های همه منظور تحلیل یافته است.
●سیستم عامل
سیستم عامل آنها كه اغلب نسخه ای از لینوكس است با سیستم عامل های دیگر ماشین های كوچكتر تفاوتی ندارند. به هر حال از آنجا كه توسعه دهندگان سیستم های عامل منابع برنامه نویسی را محدود كرده اند رابط كاربری آن ها ضعیف تر است. و از این واقعیت منتج می شود كه وقتی این رایانه ها كه اغلب قیمتی برابر با صد ها هزار دلار دارند به بازار های خیلی كوچك فروخته می شوند بودجه R&D آنها اغلب محدود می شود. به طرز جذابی این روندی مداوم در صنعت رایانه بوده است.
●برنامه نویسی
معماری موازی ابر رایانه ها اغلب استفاده از تكنیك های برنامه نویسی خاصی را برای به كار گیری سرعت شان تحمیل می كند. كمپایلر های فرترن تك منظوره سریعتر از كمپایلر های زبان برنامه نویسی C و زبان برنامه نویسیC++ كد تولید می كنند بنا بر این فرترن زبان انتخابی برنامه نویسی علمی و بنابر این زبان بیشتر برنامه هایی كه در ابر رایانه ها پیاده می شود است. برای بهره گیری از موازی بودن ابر رایانه ها در خوشه های با اتصال شل از PVM وMPI ودر ماشین های با حافظه مشترك و هماهنگ از OpenMP استفاده می شود.
●انواع ابر رایانه های همه كاره
سه دسته اصلی از ابر رایانه های همه كاره وجود دارد:
ماشین های مبتنی بر پردازش موازی عملیات های محاسباتی مشترك را در آن واحد بر حجم زیادی از داده انجام شود.
رایانه های خوشه ای با كابل كشی كوتاه برای پشتیبانی از تعداد زیادی پردازنده و برای این كه حافظه آنها بتواند با هم در ارتباط باشد از رابط های مخصوص استفاده می كنند. پردازنده ها و وسایل كابل كشی از ابتدا برای ابر رایانه ها طراحی می شوند. سریعترین ابر رایانه های همه كاره دنیا از این فن آوری استفاده می كنند.
خوشه های Commodity از تعداد زیادی پی سی های Commodity كه با شبكه های محلی با پهنای باند زیاد و سرعت عكس العمل كم به هم مرتبطند استفاده می كنند.
در سال ۲۰۰۲ قانون مور (Moore) و اقتصاد مقیاس عامل های غالب در طراحی ابر رایانه ها است: در حال حاضر یك رایانه رو میزی جدید از یك ابر رایانه ۱۵ ساله قدرتمند تر است و دست كم برخی از ترفند های طراحی كه باعث می شد ابر رایانه های پیشین بهتر از ماشین های رومیزی كنونی كار كنند درون یك Commodity pc s.۳۹ جا داده شده اند. از این گذشته، هزینه توسعه و تولید تراشه ها باعث می شد تا طراحی تراشه های سنتی برای یك اجرای كوتاه عملا غیر اقتصادی شده وتراشه های تولید انبوه كه با داشتن تقاضا های كافی از عهده هزینه تولید خود بر می آمدند جای آنها را بگیرند.
علاوه بر این بسیاری از مسایلی كه توسط ابر رایانه ها انجام می شد به طور ویژه برای موازی سازی ( در اصل تبدیل كردن به بخش های ریز تر برای این كه بتوان در آن واحد بر روی آن ها كار كرد) و به خصوص موازی سازی نسبتا زمخت (coars - grained parallelization) كه مقدار اطلاعات مورد نیاز برای انتقال بین واحد های پردازش مستقل از هم را محدود می كند مناسب است. به همین دلیل برای بسیاری از كار ها می توان خوشه های رایانه ای با طرح استاندارد كه قابل برنامه نویسی برای كار به صورت یك رایانه ی بزرگ هستند را جایگزین ابر رایانه های سنتی و متداول كرد. بسیاری از این ها از سیستم عامل لینوكس استفاده می كنند به آنها خوشه های Beowulf گفته می شود.
در ابتدای سال ۲۰۰۳ ابر رایانه های شماره ۳ دنیا خوشه ای از Commodity است و تحت سیستم عامل لینوكس و با سخت افزار اینتل x۸۶ كار می كند. به هر حال انتظار می رود شماری از پروژه های خوشه Commodity كه تحت لینوكس و با CPUهای ۶۴-۸۶ AMDx عمل می كنند با سرعت بالاتری كار كنند. اگر این روند تداوم یابد احتمالا لینوكس سیستم عامل استاندارد de facto ابر رایانه ها خواهد شد.
در انتهای سال ۲۰۰۳ ابر رایانه های شماره ۳ دنیا خوشه ای متفاوت بود، Virginia Tech System X كه با Mac OS X بر خوشه ای از سیستم های G۱۰۰/۵۱ كار می كرد.
ابر رایانه های تك منظوره
ابر رایانه های تك منظوره ابزار های محاسبه با كارایی بالا هستند كه معماری آن ها برای یك كار خاص طراحی شده است. این باعث می شود بتوان از تراشه های به طور خاص برنامه نویسی شده FPGA و یا حتی تراشه های VLSI سنتی استفاده و با قربانی كردن عمومیت، نسبت كارآیی قیمت بالاتری تولید كرد. از این ابر رایانه ها برای برنامه های كاربردی مانند محاسبه های فیزیك فضایی و كد شكنی brute - force استفاده می شود.
▪چند نمونه از ابر رایانه های تك منظوره عبارتند از:
۱- Deep Blu برای بازی شطرنج
۲- محاسبه قابل پیكر بندی
۳- GRAPE برای فیزیك فضایی
●سریع ترین ابر رایانه های امروزی
سرعت یك رایانه عموما با فلاپ (عملیات های اعشاری در هر ثانیه) اندازه گیری می شود . این اندازه گیری هزینه سربار ارتباطات را نادیده گرفته و فرض می كند كه تمام پردازنده ها ی ماشین به داده ها دسترسی وبا تمام سرعت كار می كنند. بنابر این به عنوان یك استاندارد متری ایده آل نیست ولی به هر حال به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. در ۲۹ سپتامبر سال ۲۰۰۴ سریعترین ابر رایانه ها نمونه اولیه Blue Gene/L با ۲۵۰.۱۶پردازنده ساخت IBM می باشد. این ابر رایانه می تواند با سرعت ۳۶/۰۱ ترا فلاپ كار كند.
●نمونه اولیه
Blue Gene/L نسخه سفارشی شده معماری Power Pc شركت (IBM) است. این نمونه اولیه فعلا در Rochester شركت ای بی ام نیو یورك فاسیلیتی است اما نسخه های تولید در سایت های مختلف از جمله آزمایشگاه ملی لارنس لیور مور (LLNL) مهیا خواهد شد. قبل از Blue Gene/L سریعترین ابر رایانه شبیه ساز زمین در موسسه علوم زمین یوكوهامای ژاپن بود.

منبع : روزنامه جوان