امپراتوری ابررایانه‌ها

ابررایانه‌ها از جمله مظاهر فناوری‌های نوین به شمار می‌آیند كه ادامه حیات طیف گسترده‌ای از ابر‌سیستم‌های پیچیده نظیر آزمایشگاه عظیم سرن در اروپا تنها به فعالیت آنها بستگی دارد.درواقع ابررایانه، رایانه‌ای است که از نظر ظرفیت پردازش و بخصوص سرعت محاسبه از دیگر سیستم‌ها قوی‌تر باشد.اهمیت این موضوع موجب شده دانشمندان زیادی در سراسر جهان به فكر طراحی و ساخت نسخه‌های به روزتر و البته كارآمدتری از ابررایانه‌ها باشند.
ازجمله ویژگی های ابر رایانه ها : حل مسایلی که نیازمند سرعت محاسبه بالا هستند، ابررایانه ها اغلب هزاران پردازنده دارند، از همسانی( parallelism)حجیم بهره می گیرند و مسایل پیچیده ودشوار راحل می کنندودر مراکز علمی ونظامی مشتری بیشتری دارند.

تاریخچه
 

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 1960 به طور عمده در موسسه اطلاعات كنترل (CDC) توسط سیمور كری طراحی شد. كری تا دهه 1970 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 25 سال (1965- 1990 ) بی رقیب ماند.
در دهه 1980به 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 1990 ناپدید شدند. این شركت ها بسیاری از شركت های دهه 1980 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 1970 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 1980 و 1990 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 ه است 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 039 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 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 رایانه‌ها امروزه جزو ضروری ترین ابزار در برخی از تحقیقات به شمار می‌آیند. به عنوان مثال در کاربردهایی مثل تحلیل داده‌های یک سازمان اطلاعاتی و یا مدلسازی تغییرات جوی، حجم اطلاعات آنقدر زیاد است که بدون استفاده از ابر رایانه ها کار مورد نظر انجام پذیر نیست و یا زمان لازم برای انجام کارانقدر طولانی است که نتایج بدست امده دیگر مفید نخواهند بود.
ابر رایانه ها برای كارهایی كه به محاسبات زیاد و دقیق نیازمند است به كار می رود از جمله: مسائل فیزیک کوانتوم ،پیش بینی وضع هوا، تحقیقات آب و هوایی ( كه شامل گرم شدن جهانی می شود)، پیش‌بینی نقطه‌ی ورود گردباد به خشکی، پیش‌بینی تاثیرات زلزله، نمونه سازی مولكولی (محاسبه ساختارها و خصوصیات تركیب های شیمیایی، درشت مولكول های زیستی، پلیمرها، 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 هم جوشی هسته ای )، رمز گشایی و مانند آن استفاده می شوند. دانشگاه‌های بزرگ، مراکز نظامی و آزمایشگاه‌های تحقیقات علمی بزرگ‌ترین کاربران آن هستند.

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
طراحی‌های مختلف ابرکامپیوترها برای حذف تتابع (serialization) نرم‌افزارها تلاش بسیاری می‌کنند و برای رفع مشکلات و تنگناهای باقی مانده و تسریع آن‌ها از سخت‌افزار استفاده می‌کنند.

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 :
• پردازش برداری
• خنك سازی به كمك مایع
• دسترسی به حافظه نا یكنواخت(NUMA)
• لوح های شیاری ( كه اولین نمونه آن بعدها RAID نام گرفت)
• 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 بالاوتخصصی 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. خصوصا کنسول‌های جدید بازی‌های کامپیوتری از SIMD خیلی استفاده می‌کنند و به این دلیل است که برخی تولیدکنندگان ادعا می‌کنند ماشین‌های بازی شان ابرکامپیوتر هستند. واقعیت این است که برخی کارت‌های گرافیک توان محاسبه ی چندین ترافلاپ (teraFLOP) را دارند.

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 ناشی 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 بودج

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 نویسی++C كد تولید می كنند بنا بر این فرترن (fortran)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.
امروزه ابر رایانه ها طرح های یك بار تولید شونده هستند كه توسط شركت های سنتی مانندIBM وHP طراحی می شوند


سایت تبیان
ارسال توسط کاربر محترم سایت : amuzesh2005