کاربرد های ابر کامپیوتر ها

هر ابرکامپیوتر به صدهاهزار هسته‌ی پردازشی مجهز شده و برای نگه‌داری و خنک‌‌کردن آن‌ها، به ساختمانی کامل نیاز است. برای ساخت هر ابرکامپیوتر میلیون‌ها دلار هزینه می‌شود؛ اما با وجود این مشکلات، نسل جدید ابرکامپیوتر‌های آمریکا و چین که به‌زودی رونمایی خواهند شد، در مقایسه با برترین ابرکامپیوتر‌های موجود، پنج‌برابر سریع‌تر خواهند بود.

در اینجا، این سؤال مطرح می‌شود: «چه کسانی به این قدرت پردازشی و محاسباتی فراوان نیاز دارند و چرا؟» وب‌سایت پی‌سی‌مَگ (PCMag) برای پاسخ به این پرسش از آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور واقع در کالیفرنیا بازدید کرده است. این آزمایشگاه میزبان چندین ابرکامپیوتر‌ است که ازجمله‌ی آن‌ها می‌توان به دومین ابرکامپیوتر‌ سریع دنیا به‌نام «سیِرا» (Sierra) اشاره کرد. در این آزمایشگاه، مهندسان روش استفاده از سیستم‌های موجود را برای انجام عملیات‌های تحقیقاتی و آزمایش سلاح‌های هسته‌ای مشخص می‌کنند.

سیستمی طبقه‌بندی‌شده

اگر از سیِرا بازدید کنید، دو کلمه‌ی طبقه‌بندی‌شده و داده‌های محرمانه‌ی محدودشده را مشاهده خواهید کرد که روی این ابرکامپیوتر درج شده است. این دستگاه غول‌پیکر از ۲۴۰ سرور قفسه‌ای ساخته شده است. این هشدارها به این دلیل روی سیِرا قرار داده شده است که این ابرکامپیوتر‌ وظیفه‌ی ذخیره‌سازی داده‌های مرتبط با فعالیت‌های هسته‌ای آمریکا را برعهده دارد. ازجمله‌ی این اطلاعات می‌توان به روش منفجرشدن سلاح‌های هسته‌ای در دنیای واقعی اشاره کرد.

کشور آمریکا آخرین آزمایش سلاح‌های هسته‌ای خود را در سال ۱۹۹۲ انجام داده است. این کشور از آن به‌بعد، از ابرکامپیوتر‌ها برای کمک به انجام آزمایش‌ها در محیط مجازی بهره می‌برد و سیِرا بخشی از این وظیفه را عهده‌دار است. این ابرکامپیوتر سال گذشته به‌منظور کمک به دولت آمریکا برای نظارت و آزمایش مؤثر زرادخانه هسته‌ای به‌ کار گرفته شد. آدام برتش، یکی از مهندسان ارشد محاسبات پیچیده در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور می‌گوید:

فقط درصورتی می‌توانید از راهکار بازدارنده استفاده کنید که بدانید به‌درستی کار می‌کند. علاوه‌براین، دشمن شما نیز می‌داند و باور دارد که عامل بازدارنده به‌درستی کار می‌کند.

جای تعجب نیست که شبیه‌سازی انفجار هسته‌ای به محاسبات ریاضی فراوانی نیاز دارد. اصول بنیادین علمی می‌تواند چگونگی رفتار ذرات را در شرایط مختلف پیش‌بینی کند. همچنین، آمریکا داده‌های مربوط به آزمایش‌های واقعی انجام‌شده با سلاح‌های هسته‌ای در چند دهه‌ی اخیر را دراختیار دارد. دانشمندان با ترکیب این اطلاعات، محاسبات مربوط به ساخت مدل‌های کامپیوتر‌ی را انجام می‌دهند. این مدل‌ها می‌توانند چگونگی وقوع انفجار هسته‌ای را محاسبه کنند و تغییر آن را با گذشت زمان نشان دهند.

اساسا تلاش می‌کنید نقشه‌ی واکنشی زنجیره‌ای را بکشید؛ بنابراین، محققان از این مدل‌ها برای افزایش دقت پیش‌بینی انفجار هسته‌ای در سطح مولکول از فیزیک واقعی استفاده کرده‌اند. مسئله این‌ است که انجام این نوع کارها به محاسبات عددی بسیار زیادی نیاز دارد.

ابرکامپیوتر‌ سیِرا ۱۹۰ هزار هسته‌ی پردازشی مرکزی و ۱۷ هزار هسته‌ی پردازش گرافیکی دارد. تمام این قدرت پردازشی، یعنی این ابرکامپیوتر‌ می‌تواند وظایف سنگینی مثل شبیه‌سازی انفجارهای هسته‌ای و تقسیم‌ آن به بخش‌های کوچک‌تر را انجام دهد. هریک از هسته‌ی موجود در سیِرا بخشی از عملیات شبیه‌سازی را انجام می‌دهد و نتایج به‌دست‌آمده را با دستگاه اصلی مرتبط خواهد کرد. این فرایند بارهاوبارها تکرار می‌شود تا مدل موجود در ابرکامپیوتر بتواند از مرحله‌ای به مرحله‌ی بعدی شبیه‌سازی انفجار هسته‌ای برود. آدام برتش درادامه‌ی توضیحاتش گفت:

شما می‌توانید شبیه‌سازی کاملی از انفجار هسته‌ای را با این ابرکامپیوتر انجام دهید و از روش عملکرد این نوع انفجار مطلع شوید.

دستگاهی تحقیقاتی

توانایی ابرکامپیوترها در محاسبه و مدل‌سازی فعل‌وانفعالات، یکی از دلایل اهمیت آن‌ها برای محققان است. درواقع، فعل‌وانفعالات همواره در اطراف ما در حال وقوع هستند؛ ازجمله تغییرات آب‌وهوایی، چگونگی شکل‌گیری ستاره یا شیوه‌ی پاسخ‌دادن سلول‌های انسانی دراثر دارو. ابرکامپیوتر می‌تواند این تعاملات را شبیه‌سازی کند. سپس، دانشمندان می‌توانند از داده‌های به‌دست‌آمده برای مواردی ازجمله اینکه آیا فردا باران خواهد بارید یا خیر، اعتبارسنجی تئوری جدید علمی و … استفاده کنند.

افزون‌براین، تکنولوژی‌ مذکور می‌تواند برای صنایع مختلف کاربردی باشد. درحقیقت، صنایع مختلف می‌توانند طرح‌های بی‌شمار جدیدی را بررسی کنند تا بهترین نمونه‌ی موجود برای آزمایش در دنیای واقعی انتخاب شود. به همین دلیل، تقاضای زیادی برای استفاده از ابرکامپیوتر‌های این آزمایشگاه وجود دارد. برتش در این باره می‌گوید:

مهم نیست چقدر قدرت پردازشی داریم؛ زیرا افراد تمایل دارند از آن استفاده کنند و درخواست برای استفاده از ابرکامپیوتر‌ها هر روز بیشتر می‌شود.

به همین دلیل است که آمریکا به‌دنبال گسترش ابرکامپیوتر‌ها است. قدرت پردازشی بسیار زیاد این امکان را به دانشمندان می‌دهد تا شبیه‌سازی‌های پیشرفته‌ی بیشتری را توسعه دهند که ازجمله می‌توان به بازسازی فعل‌‌و‌انفعالات کوچک‌تر اشاره کرد. این بازسازی‌های کوچک می‌تواند روش‌های جدید برای پیشرفت را دردسترس دانشمندان قرار دهد. علاوه‌براین، گسترش این نوع سیستم‌ها باعث خواهد شد پروژه‌های تحقیقاتی فعلی در زمان کوتاه‌تری تکمیل شوند. برتش به این موضوع اشاره کرده است که فرایندهای پردازشی که قبلا به ماه‌ها زمان نیاز داشت، هم‌اکنون فقط در چند ساعت انجام‌شدنی است.

سیِرا بخشی از شبکه‌ای طبقه‌بندی‌شده است که به اینترنت عمومی متصل نشده و هم‌اکنون دردسترس حدود هزار دانشمند تأییدشده قرار دارد تا از آن برای انجام برنامه‌های عملی استفاده کنند. علاوه‌براین، حدود سه‌هزار کاربر دیگر پروژه‌های غیرطبقه‌بندی‌شده‌ را با این ابرکامپیوتر‌ها انجام داده‌اند. این بخش به‌طور آنلاین دردسترس است و کاربران با دریافت نام‌ کاربری و رمزعبور می‌توانند از آن استفاده کنند. برتش می‌گوید هر میزان هزینه‌ای که برای استفاده از ابرکامپیوتر‌ها پرداخت کنید، به همان میزان می‌توانید از درصد مشخصی از قدرت پردازشی آن استفاده کنید.

سیستم زمان‌بندی‌ای در ابرکامپیوتر‌ها استفاده شده است تا اشتراک‌گذاری منابع آن به‌طور منصفانه انجام شود. این سیستم میزان منابع اختصاص‌یافته به شما را تعیین می‌کند. اگر مصرف شما از منابع کمتر از میزان اختصاص‌یافته باشد، اولویت شما برای استفاده از ابرکامپیوتر بیشتر خواهد شد.

شبیه‌سازی‌ها به‌طور دائم در حال اجرا هستند. ابرکامپیوترها می‌توانند هزاران وظیفه را در هر زمان انجام دهند و همچنین موردی را که از آن با نام Hero Run یاد می‌شود، پردازش کنند. علاوه‌بر‌این، این امکان وجود دارد که کل منابع ابرکامپیوتر فقط یک وظیفه را انجام دهد.

همواره در حال اجرا

سیِرا ابرکامپیوتر است؛ اما این دستگاه از اجزای محصولات دیگر ساخته شده است. به‌عنوان مثال، پردازنده‌های استفاده‌شده در این دستگاه، تراشه‌های پرچم‌دار و قدرتمندی ساخت شرکت‌های معروف IBM و انویدیا هستند و سیستم‌عامل نصب‌شده روی این ابرکامپیوتر، توزیع لینوکس رِدهَت اینترپرایز (Red Hat Enterprise Linux) است. رِدهَت اینترپرایز سیستم‌عامل محبوب لینوکسی است که در بسیاری از سرورها به کار برده می‌شود. برتش می‌گوید:

در گذشته، ابرکامپیوتر‌ها معمولا ابعاد بسیار بزرگی داشتند و فضای زیادی را اشغال می‌کردند؛ اما حالا حتی بزرگ‌ترین سیستم‌های جهان اساسا از چند سرور متصل به یکدیگر تشکیل شده‌اند و فضای کمتری هم اشغال می‌کنند.

برای استفاده‌ی حداکثری از سیستمی مثل سیِرا، این ابرکامپیوتر باید بتواند انواع محاسبات تحقیقاتی را اجرا کند؛ بنابراین، آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور سیِرا را به‌عنوان سیستم‌ همه‌منظوره توسعه داده است. با تمام این‌ها، ابرکامپیوتر نیز به‌طور کامل بی‌نقص نیست. براساس بررسی‌های این آزمایشگاه، سیِرا در هر ۱۲ ساعت با یک خطا مواجه می‌شود که این خطا می‌تواند به کارکردهای سخت‌افزاری مرتبط باشد. شاید این موضوع جالب به‌نظر برسد؛ اما با فرض شما مالک ۱۰۰ هزار کامپیوتر‌ی شخصی باشید، قطعا رخ‌دادن چنین خطاهایی اجتناب‌ناپذیر است.

ازجمله‌ مشکلات رایج ابرکامپیوتر‌ها می‌توان به حافظه‌های DIMM و تأمین‌کننده‌های منبع تغذیه و فن‌های خنک‌کننده اشاره کرد. خوشبختانه سیِرا بسیار بزرگ است و ظرفیت‌ درخورتوجهی هم دارد. علاوه‌براین، در ابرکامپیوتر‌ها همیشه از فایل‌های حافظه به‌طور مستمر نسخه‌ی پشتیبان تهیه می‌شود تا در شرایطی که سیستم با خطا مواجه شد، بتوان از این داده‌ها استفاده کرد.

شاید نتوان ابرکامپیوتر‌ها را از هرلحاظ با سیستم‌های خانگی مقایسه کرد. حتی گیمرها که معمولا از جدیدترین پردازنده‌ها و قوی‌ترین کارت گرافیک‌ها استفاده می‌کنند، نمی‌توانند سیستم‌های خود را به‌طور کامل با ابرکامپیوتر‌ها مقایسه کنند. چالش پیش‌ رو در ساخت ابرکامپیوتر‌ها این است که باید امکان اجرای وظایف مختلف به‌طور هم‌زمان در این آن‌ها فراهم باشد.

سیِرا خود به‌تنهایی فضایی به اندازه‌ی ۴,۳۶۶ مترمربع را اشغال کرده است. در این فضا، صدای فن‌های زیادی شنیده می‌شود که برای خنک‌‌کردن سخت‌افزار استفاده شده است. در سطح زیرین این ابرکامپیوتر، سیستم پمپ آب را شاهد هستیم که در هر دقیقه، هزاران گالن آب را در لوله‌ها پمپ می‌کند که خنک‌شدن برد‌ها و اجزای دیگر ابرکامپیوتر را باعث می‌شود.

در بخش برق، این آزمایشگاه به واحدهای تغذیه‌ی ۴۵ مگاواتی مجهز شده است. برای درک بهتر این میزان انرژی بد نیست اشاره کنیم که این میزان الکتریسیته برای برق‌رسانی شهری کوچک کافی است. حدود ۱۱ مگاوات از کل برق موجود به سیِرا تزریق می‌شود. درهرحال، مصرف برق ابرکامپیوتر می‌تواند باعث انتقاد برخی از شرکت‌های تأمین‌کننده محلی برق شود. هنگامی‌که اپلیکیشنی با خطا مواجه شود، درخواست انرژی سیستم می‌تواند تا حد چند مگاوات کاهش یابد.

آينده

درعین‌حال، آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور با شرکت‌هایی مثل IBM و انویدیا کار می‌کند تا مشکلات موجود را رفع کند و ساختار شبکه‌های ابرکامپیوتر‌ها را بهبود دهند تا بدین‌طریق، امکان استفاده از این نوع سیستم‌ها در زمینه‌های مختلف فراهم شود و پایداری آن‌ها نیز افزایش یابد. امروزه، سرعت پردازنده‌ها تنها خصیصه‌ی مهم ابرکامپیوتر‌ها نیست و علاوه‌بر افزایش سرعت پردازنده‌ها، باید به ویژگی‌هایی ازجمله پهنای باند حافظه هم توجه کرد.

آزمایشگاه مذکور در آینده اطلاعات بیشتری درباره‌ی ابرکامپیوتر‌ ال‌کاپتان ارائه خواهد کرد. این آزمایشگاه به‌دلایل امنیتی قصد دارد تمامی اجزای ابرکامپیوتر‌ی سِکویا را با دقت فراوان وارد چرخه‌ی بازیافت کند.