ابر رایانه ها

ابررایانه به رایانه‌ای اطلاق می‌گردد که در زمان معرفی آن در زمینه میزان ظرفیت محاسبه در واحد زمان در دنیا پیشرو باشد این عبارت برای اولین بار توسط مجله «نیویورک ورلد» برای اشاره به جدول سازهای آی بی ام در دانشگاه کلمبیا به کار رفت.

ابررایانه‌ هایی را که در دههٔ ۱۹۶۰ ساخته و ارائه شدند سیمور کری از بنگاه کنترل اطلاعات طراحی کرده بود و تا دههٔ ۱۹۹۰ هم بازار در دست این ابررایانه‌ ها بود. زمانی که سیمور کری جدا شد و رفت تا شرکت خودش به نام تحقیقات سیمور را راه‌اندازی و اداره کند با طرح های جدیدش بازار ابررایانه‌ ها را در دست گرفت و تا پنج سال (۱۹۸۵–۱۹۹۰) یکه تاز بازار ابر محاسبه بود. خود کری هرگز واژهٔ ابررایانه را استفاده نکرد و کمتر کسی به خاطر دارد که او تنها کلمهٔ رایانه را استفاده می‌کرد.

در سال ۱۹۸۰ هم زمان با ظهور بازار رایانه های کوچک که یک دهه قبل به وجود آمده بودند تعداد زیادی رقبای کوچک وارد بازار شدند. اما بسیاری از این ها در دهه ۱۹۹۰ با بروز مبارزات بازار ابررایانه حذف شدند. امروزه ابررایانه‌ ها طراحی های سفارشی کم نظیری هستند که شرکت های صنعتی مثل آی بی ام و اچ‌ پی تولید می کنند. همان شرکت هایی که بسیاری از شرکت های دهه۱۹۹۰ را خریدند تا از تجربه شان استفاده کنند. البته بنگاه کری هنوز به صورت حرفه ای به ساخت ابررایانه ادامه می دهد.

اصطلاح ابررایانه چندان پایدار و ثابت نیست. ممکن است ابررایانه امروز فردا تبدیل به یک رایانه معمولی شود. اولین دستگاه های CDC پردازنده های نرده‌ای (اسکالر) خیلی سریع بودند؛ ده برابر سریع تر از سریع ترین ماشین های سایر شرکت ها. در دهه ۱۹۷۰ اکثر ابررایانه‌ ها به انجام محاسبات برداری پرداختند و بسیاری رقبا و تولیدکنندگان جدید پردازنده های خودشان را با قیمت پایین با همان روش کار به بازار ارائه کردند تا در بازار حاضر شوند. در ابتدا و میانه دهه ۱۹۸۰ ماشین هایی با پردازنده های اندک برداری که به صورت موازی کار می کردند تبدیل به استاندارد شدند.

هر ماشینی معمولاً چهارده تا شانزده پردازنده برداری داشت. در اواخر دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ دوباره توجه ها از پردازنده های برداری به سیستم های پردازنده موازی معمول معطوف شد که هزاران ریزپردازنده معمولی داشتند و برخی از آن‌ها نمونه های آماده و برخی هم سفارش های مشتریان بودند در اصطلاح کاری، این را حمله میکروهای کشنده می‌نامند.

امروزه طرح‌های موازی بر اساس ریزپردازنده‌ های آماده نوع سرور ساخته می‌شوند از جمله Power PC, Itanium, x۸۶–۶۴ و مدرن‌ترین ابررایانه‌ها بسته کلاستر های رایانه ای با تنظیمات دقیق هستند که پردازنده‌های کم حجم و رابط‌های داخلی سفارشی و بسته به مورد دارند.

ابر کامپیوتر یا Supercomputer از نظر لغوی به معنی کامپیوتری مین فریم نسبتاً قوی است. منظور از Mainframe کامپیوتر‌های غول آسایی است که فضای زیادی مثل یک اتاق بزرگ یا یک سالن اشغال می‌کنند. در حقیقت ابر کامپیوتر‌های امروزی در فضایی بزرگ با سیستم تهویه ی کارآمد قرار می گیرند و شامل تعداد زیادی کابینت و اتصالات شبکه ای بین کامپیوترها هستند.

یک ابررایانه گرمای زیادی تولید می کند و باید خنک شود. خنک کردن بسیاری ابررایانه‌ ها مسئله بسیار بزرگی برای HVAC است.

اطلاعات نمی‌توانند با سرعتی بالاتر از سرعت نور بین دو بخش کامپیوتر جابجا شوند. به همین دلیل یک ابررایانه چند متری (با عرض چند متر) باید تأخیر بین قطعاتش در حد چند ده نانوثانیه باشد. به خاطر همین مشکل طراحی‌های سیمور کری کوشیدند در حد امکان از طول کابل های کمتر استفاده کنند شکل استوانه کری هم به همین ترتیب به وجود آمد. در ابررایانه‌ هایی که تعداد بسیار زیادی cpu دارند که موازی هم کار می‌کنند برای فرستادن پیام بین پردازنده‌ها توقف یک تا پنج میکرو ثانیه معمول است.

سیستم عامل ابررایانه‌ ها که اغلب امروزه انواعی از لینوکس و یونیکس هستند و اگر پیچیده تر از ماشین های کوچک تر نباشند همان قدر پیچیده هستند. ظاهری که کاربر می‌بیند ساده تر است چون سازندگان OSها منابع برنامه نویسی کمتری برای سرمایه گذاری بر بخش های غیرضروری OSها یعنی بخش‌هایی که مستقیماً به بهترین کاربرد سخت‌افزار نمی‌شود، دارند. دلیل اصلی آن این است که این کامپیوترها میلیون ها دلار قیمت دارند اما بازار خریدشان بسیار کوچک است لذا بودجه‌های R&D شان اغلب محدود است. وجود یونیکس و لینوکس اجازه می دهد ظاهر کاربری (user interface) نرم‌افزار دسکتاپ معمولی دوباره مورد استفاده قرار بگیرد.

جالب آنجا ست که در تاریخ صنعت ابررایانه‌ ها این روند هم چنان ادامه پیدا کرده است و رهبران قدیمی این تکنولوژی از جمله Silicon Graphics در برابر امثال nVIDIA عقب نشسته اند چرا که این ها می توانند محصولات ابتکاری ارزان و پرفایده و پرکاربرد را به لطف مشتریان بسیار شان که R&D آن ها را تأمین می کنند تولید نمایند. از نظر تاریخی تا ابتدا و میانه دهه ابررایانه‌ ها اغلب سازگاری گروه دستورات و قابلیت جابجایی کدها را فدای عملکرد و سرعت پردازش و دسترسی به حافظه کامپیوتر می کردند.

اغلب ابررایانه‌ ها تا به امروز برخلاف کامپیوترهای گران قیمت فنی high end main frames سیستم های عامل بسیار متفاوتی دارند. Cray-1 به تنهایی شش OS مخصوص خودش را داشت که جامعه کامپیوتر هیچ خبری از آن ها نداشت. مشابه آن کامپایلرهای برداری کننده و موازی کننده بسیاری هم برای فورترن موجود بود. اگر به خاطر سازگاری گروه دستورات اولیه بین Cray-1 و Cray x-mp و پذیرش انواع OSهای یونیکس مثل CrayUnicos و لینوکس نبود این اتفاق برای ETA-10 هم می افتاد. به همین دلیل در آینده سیستم هایی با بالاترین کاربرد احتمالاً رنگ و بویی از یونیکس خواهند داشت اما با خاصیت های مخصوص سیستم ناسازگار خصوصاً برای سیستم های بسیار فنی و گران قیمت با امکانات امن مطمئن است.

برای فرستادن پیام بین پردازنده ها حجم بسیار بالای اطلاعات را در مدت زمان کوتاه مصرف و تولید می‌کنند. کن بچر می‌گوید: برای فرستادن پیام بین پردازنده ها وسیله‌ای است که مسائل محدود به محاسبه را محدود به I/O می کند. برای حصول اطمینان از انتقال سریع و ذخیره و بازیابی صحیح اطلاعات باید روی پهنای باند ذخیره خارجی کار زیادی انجام بدهیم.

ابررایانه‌ها با رم‌ها و کارآیی‌ های بسیاری که دارند معمولاً برای عملیات حساس روی محاسبه از جمله مسائل فیزیک کوانتوم، هواشناسی، تحقیقات آب و هوا از جمله تحقیق دربارهٔ گرم شدن کره زمین مدل سازی مولکولی مطالعه ساختارها و محتویات ترکیبات شیمیایی، ماکرومولکول‌ های بیولوژیکی، پلیمرها و بلورها شبیه سازی های فیزیکی مثل شبیه سازی هواپیماها در تونل های هوا، شبیه سازی انفجار سلاح های هسته ای و تحقیق درباره پیوست هسته‌ای تحلیل مخفی و … استفاده می‌شوند.

دانشگاه های بزرگ، مراکز نظامی و آزمایشگاه های تحقیقات علمی بزرگ ترین کاربران آن هستند. نوع خاصی از مسائل به نام مسائل بسیار مشکل، مسائلی که حل کامل شان نیازمند منابع کامپیوتری نیمه بی پایان هستند.

یک مطلب قابل توجه در این مقال تفاوت بین محاسبه، توانایی محاسبه و ظرفیت است چنان که گراهام و همکارانش بررسی کرده اند. محاسبه توانایی یعنی استفاده از ماکزیمم توان محاسبه برای حل یک مسئله بزرگ در کم ترین زمان. این سیستم اغلب می‌تواند مسئله را با حجم و پیچیدگی که هیچ کامپیوتر دیگری نمی‌تواند حل کند حل نماید. اما محاسبه ظرفیت یعنی استفاده از توان محاسبه مقرون به صرفه و کارآمد برای حل مسائل کم و بیش بزرگ یا تعداد زیادی مسائل کوچک یا آمادگی برای اجرا روی سیستم توانایی استفاده می‌شود.

ابررایانه‌ها در صنایع نظامی

انجام برخی آزمایش های تسلیحات بسیار هزینه بر و مخرب است. به همین علت می‌توان از شبیه سازی های دقیق به کمک ابر کامپیوترها استفاده کرد.

یکی از عجیب‌ترین ابر کامپیوتر‌هایی که در صنایع نظامی استفاده شده، ابر کامپیوتری به اسم Condor Cluster است که ارتش آمریکا در سال ۲۰۱۰ برای نیروی هوایی ساخته است. مهندسین با استفاده از ۱۷۶۰ کنسول بازی پلی‌استیشن ۳ سونی! یک ابر کامپیوتر قدرتمند ساخته‌اند که قدرت محاسباتی آن ۵۰۰ ترافلاپس است. از این ابر کامپیوتر عجیب در تشخیص طرح ها، پردازش تصاویر ماهواره ای و تحقیقات در حوزه ی هوش مصنوعی استفاده می‌شود.