خبر
از نخستین رایانه الکترونیکی برنامه دار رقمی تا ابر رایانه‌های کلاستری
- خبر
- نمایش از دوشنبه, 12 تیر 1391 14:31
- بازدید: 2971
برگرفته از روزنامه اطلاعات
به رایانه‌هایی، ابر رایانه می‌گویند که در زمان معرفی از نظر ظرفیت پردازش و به خصوص سرعت محاسبه از دیگر رایانه قوی‌تر باشند. نخستین ابر رایانه‌ها در دهه 1960به طور عمده در مؤسسه اطلاعات کنترل (CDC) توسط «سیمور کری» (Seymour Cray) طراحی شد. کری تا دهه 1970 زمانی که برای بنیان گذاری شرکت خود پژوهشکده کری، از آن جدا شد آن را هدایت می‌کرد. کری بعدها با طرح‌های جدید خود بازار ابر رایانه را در دست گرفت و تا 25 سال (1965 1990) بی رقیب ماند. در دهه 1980به موازات تولید یک دهه قبل‌تر از رایانه‌های کوچک، شمار زیادی از رقیبان کوچکتر وارد بازار شدند، اما بسیاری از آنها در رکود بازار ابر رایانه‌های اواسط دهه 1990 ناپدید شدند. امروزه ابر رایانه‌ها طرح‌های یک بار تولید شونده هستند که توسط شرکت‌های سنتی مانند IBM و HP طراحی می‌شوند. این شرکت‌ها بسیاری از شرکت‌های دهه 1980 را برای استفاده از تجارب خود خریداری کردند. هر چند در طراحی ابر رایانه‌ها موسسه کری متخصص‌تر است.
معنای کلمه ابر رایانه تا حدی متغیر است و ابر رایانه‌های امروزی فردا دیگر کاربردی نخواهند داشت، همان گونه که از کولاسوس (Colossus)، نخستین رایانه الکترونیکی برنامه دار رقمی دنیا، که طی جنگ جهانی دوم رمز‌های آلمانی‌ها را می‌شکست، پیدا است. ماشین‌های اولیه «سی‌دی‌سی» (CDC) صرفاً پردازنده‌های منفرد پر سرعتی بودند که تا 10 برابر سریع‌تر از سریع‌ترین ماشین‌هایی که توسط دیگر شرکت‌ها معرفی شده بودند، کار می‌کردند. در دهه 1970 بیشتر ابر رایانه‌ها برای استفاده از پردازنده بُرداری طراحی می‌شدند و بسیاری از بازیگر‌های تازه کار برای ورود به بازار پردازنده‌هایی از این نوع را با قیمت ارزان‌تر عرضه می‌کردند. در دهه‌های 1980و 1990 پردازنده‌های برداری جای خود را به سیستم‌های پردازش موازی فشرده با هزاران سی پی یو (CPU) ساده‌ای داد که برخی از آنها واحد‌های غیر مرسوم و برخی طرح‌های متداول و سنتی بودند. امروزه طرح‌های موازی بر پایه ریز پردازنده‌های RISC غیر مرسوم مانند PowerPC یا PA_RISC قرار دارند.
ابزارهای نرم افزاری پردازش توزیعی، API استاندارد از جمله MPI و PVM و راه حل‌های نرم افزاری متکی بر منبع باز مانند Beowulf و openMosix هستند که کار ساخت نوعی از ابر رایانه‌های مجازی با استفاده از مجموعه‌های ایستگاه کارها و خدمت گذارهای عادی را تسهیل بخشید، را شامل می‌شود. فناوری‌هایی مانند Rendezvous راه تولید خوشه‌های رایانه‌های ویژه را هموار ساخت. یک نمونه، تابع تفسیر توزیعی در برنامه کاربردی ترکیبی Apple's Shake است. رایانه‌هایی که از نرم افزار Shake استفاده می‌کنند، کافی است فقط در شبکه در مجاورت یک دیگر باشند تا به طور خود کار منابع همدیگر را پیدا و مورد استفاده قرار دهند. در حالی که هنوز هیچ کس خوشه رایانه ویژه‌ای بهتر از ابر رایانه‌های سال گذشته نساخته است. فاصله بین رایانه‌های رومیزی یا حتی لپ تاپ‌ها و ابر رایانه‌ها در حال ناپدید شدن است و این احتمال وجود دارد که این روند با افزایش پشتیبانی توکار برای همسانی (parallelism) و پردازش توزیعی در سیستم عامل‌های رایانه‌های رومیزی تداوم یابد. یک زبان برنامه نویسی آسان برای ابر رایانه‌ها مبحث تحقیقاتی باز و وسیعی را در علم رایانه به جای می‌گذارد.
ابر رایانه‌ها برای کارهایی که به محاسبات زیاد و دقیق نیازمند است به کار می‌روند از جمله: پیش بینی وضع هوا، تحقیقات آب و هوایی که شامل گرم شدن جهانی می‌شود، نمونه سازی مولکولی (محاسبه ساختار‌ها و ویژگی ترکیب‌های شیمیایی، درشت مولکول‌های زیستی، بسپار‌ها و بلور‌ها، شبیه سازی‌های فیزیکی مانند شبیه سازی هواپیما در تونل باد، شبیه سازی انفجار جنگ افزار‌های هسته‌ای و تحقیقات در مورد جوش هسته ای، رمز گشایی و مانند آن. اغلب موسسه‌های نظامی و علمی از بزرگترین مشتری‌های ابر رایانه‌ها به شمار می‌روند.
ابر رایانه‌ها به دلیل به کار گیری طرح‌های ابتکاری و جدید با سرعتی بیشتر از رایانه‌های متداول کار می‌کنند. این طرح‌ها آنها را قادر می‌سازد، بسیاری کارها را با وجود نیاز به بررسی فنی جزئیات به صورت موازی انجام دهند. آنها بیشتر برای انجام گونه‌های خاصی از محاسبات تخصص دارند و در برابر بیشتر کارهای محاسباتی عادی عملکرد ضعیفی از خود نشان می‌دهند. سازماندهی حافظه این رایانه‌ها به دقت تنظیم شده است تا در تمامی زمان‌ها، پردازنده با داده‌ها و دستورالعمل‌ها تغذیه شود. در واقع بیشتر تفاوت پیاده‌سازی بین رایانه‌های کند‌تر و ابر رایانه‌ها به خاطر طرح سازمان دهی حافظه و ترکیب بندی اجزا است.
قانون Amdahl برای تمامی سیستم‌های موازی صادق است. ابر رایانه‌ها تلاش زیادی را برای حذف توالی نرم افزاری اعمال می‌کنند و برای شتاب دادن به تنگنا‌های (bottlenecks) باقی مانده از سخت افزار بهره می‌گیرند.
یک ابر رایانه تولید گرمای زیادی می‌کند و باید خنک شود. خنک سازی بیشتر ابر رایانه‌ها یک مشکل بزرگ است.
اطلاعات نمی‌تواند با سرعتی بیشر از سرعت نور بین دو جز یک ابر رایانه جا به جا شود، به همین دلیل، ابر رایانه‌هایی که چندین متر طول دارند، باید دارای زمان پاسخگویی دست‌کم یک دهم نانو ثانیه باشد. به این خاطر در طرح ابر رایانه کری ساخت سیمور کری از کابل‌های کوتاه استفاده شده بود.
ابر رایانه‌ها مقادیر زیادی داده را در مدت زمان کوتاهی مصرف و تولید می‌کنند. برای اطمینان از این که اطلاعات به سرعت منتقل و به درستی ذخیره و باز یابی می‌شود به کاری بیشتر نیاز است.
تکنیک‌های پردازش برداری نخستین بار برای ابر رایانه‌ها توسعه یافت و همچنان در برنامه‌های کاربردی با کارایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. تکنیک‌های پردازش برداری به بازار مجتمع در معماری DSP و دستورهای پردازش SIMD برای رایانه‌های همه منظور تحلیل یافته است.
سیستم عامل‌هایی که اغلب نسخه‌ای از «لینوکس» است، با سیستم عامل‌های دیگر ماشین‌های کوچکتر تفاوتی ندارند. به هر حال از آنجا که توسعه دهندگان سیستم‌های عامل منابع برنامه نویسی را محدود کرده‌اند، رابط کاربری آنها ضعیف‌تر است و از این واقعیت منتج می‌شود که وقتی این رایانه‌ها که اغلب قیمتی برابر با صد‌ها هزار دلار دارند، به بازار‌های خیلی کوچک فروخته می‌شوند بودجه آنها اغلب محدود می‌شود.
معماری موازی ابر رایانه‌ها اغلب استفاده از تکنیک‌های برنامه نویسی خاصی را برای به کارگیری سرعت تحمیل می‌کند.کمپایلر‌های فرترن تک منظوره سریع‌تر از کمپایلر‌های زبان برنامه نویسی C و زبان برنامه نویسی++C کد تولید می‌کنند. بنا بر این فرترن زبان انتخابی برنامه نویسی علمی و بنابر این زبان بیشتر برنامه‌هایی که در ابر رایانه‌ها پیاده می‌شود است. برای بهره گیری از موازی بودن ابر رایانه‌ها، در خوشه‌های با اتصال شل از PVM و MPI ودر ماشین‌های با حافظه مشترک و هماهنگ از OpenMP استفاده می‌شود.
سه دسته اصلی از ابر رایانه‌های همه کاره وجود دارد:
ماشین‌های مبتنی بر پردازش موازی عملیات‌های محاسباتی مشترک را در آن واحد بر حجم زیادی از داده انجام شود.
رایانه‌های خوشه‌ای با کابل کشی کوتاه برای پشتیبانی از تعداد زیادی پردازنده و برای این که حافظه آنها بتواند با هم در ارتباط باشد از رابط‌های مخصوص استفاده می‌کنند. پردازنده‌ها و وسایل کابل‌کشی از ابتدا برای ابر رایانه‌ها طراحی می‌شوند. سریع‌ترین ابر رایانه‌های همه‌کاره دنیا از این فناوری استفاده می‌کنند.
در سال 2002 قانون مور (Moore) و اقتصاد مقیاس عامل‌های غالب در طراحی ابر رایانه‌ها است. در حال حاضر یک رایانه رومیزی جدید از یک ابر رایانه 15 ساله قدرتمند‌تر است و دست‌کم برخی از ترفندهای طراحی که باعث می‌شد ابر رایانه‌های پیشین بهتر از ماشین‌های رومیزی کنونی کار کنند درون یک commodity pc's جا داده شده‌اند. از این گذشته هزینه توسعه و تولید تراشه‌ها باعث می‌شد تا طراحی تراشه‌های سنتی برای یک اجرای کوتاه غیر اقتصادی شود و تراشه‌های تولید انبوه که با داشتن تقاضاهای کافی از عهده هزینه تولید خود بر می‌آمدند جای آنها را بگیرند.
ابر رایانه‌های تک منظوره ابزارهای محاسبه با کارایی بالا هستند که معماری آنها برای یک کار خاص طراحی شده است. این باعث می‌شود بتوان از تراشه‌ها به طور خاص برنامه‌نویسی شده (FPGA) یا حتی تراشه‌های VLSI سنتی استفاده و با نسبت کار ایی با قیمت بالاتری تولید کرد. از این ابر رایانه‌ها برای برنامه‌های کاربردی مانند محاسبه‌های فیزیک فضایی و کد شکنی brute-force استفاده می‌شود.
چند نمونه از ابر رایانه‌های تک منظوره عبارت هستند از:
Deep Blue برای بازی شطرنج
محاسبه قابل پیکر بندی
GRAPE برای فیزیک فضایی
سرعت یک رایانه عموماً با فلاپ (عملیات‌های اعشاری در هر ثانیه) اندازه گیری می‌شود. این اندازه گیری هزینه سربار ارتباطات را نادیده گرفته و فرض می‌کند که تمامی پردازنده‌های ماشین به داده‌ها دسترسی و با تمامی سرعت کار می‌کنند. بنابراین به عنوان یک استاندارد متری ایده‌آل نیست، ولی به هر حال به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در 29 سبتامبر سال 2004سریع‌ترین ابر رایانه‌ها نمونه اولیه Blue Gene/L با 16هزار و 250 پردازنده ساخت IBM بود. این ابر رایانه می‌تواند با سرعت 01/36 ترا فلاپ کار کند. نمونه اولیه Blue Gene/L نسخه سفارشی شده معماری PowerPc شرکت ای‌بی‌ام (IBM) است. این نمونه اولیه فعلاً در Rochester شرکت‌ای بی ام، «نیویورک فاسیلیتی» است، اما نسخه‌های تولید در سایت‌های 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 یوکوماها ژاپن بود.
