ابر کامپیوترها

ابر رایانه
ابر رایانه وسیله ای برای تبدیل مسایل محاسبه ای به مسایل ورودی و خروجی است.
کن باچر (Ken Batcher)

ابر رایانه رایانه ای است که در زمان معرفی از نظر ظرفیت پردازش و به خصوص سرعت محاسبه ازدیگر ماشین ها قوی تر باشد. اولین ابر رایانه ها در دهه ی 1960به طور عمده در موسسه اطلاعات کنترل (CDC) توسط سیمور کری«Seymour Cray» طراحی شد. کری تا دهه ی 1970 زمانی که برای تاسیس شرکت خود پژوهشکده کری, از آن جدا شد آنرا هدایت می کرد. کری بعدها با طرح های جدید خود بازار ابر رایانه را در دست گرفت و تا 25 سال (1965 1990) بی رقیب ماند. در دهه ی 1980به موازات تولید یک دهه قبل تر کامپیوتر کوچک هاشمار زیادی از رقیبان کوچکتر وارد بازار شدند اما بسیاری از آنها در" رکود بازار ابر رایانه ها" ی اواسط دهه ی 1990 ناپدید شدند. امروزه ابر رایانه ها طرح های یک بار تولید شونده هستند که توسط شرکت های "سنتی" مانند IBM و HP طراحی می شوند. این شرکت ها بسیاری از شرکت های دهه ی 1980 را برای استفاده از تجاربشان خریداری کردند، هر چند در طراحی ابر رایانه ها موسسه ی کری متخصص تر است .
معنای کلمه ی ابر رایانه تا حدی متغیر است , و ابر رایانه های امروزی فردا دیگر کاربردی نخواهند داشت، همانگونه که از کولاسوس (Colossus)،‌ (اولین رایانه ی الکترونیکی برنامه دار رقمی دنیا، که طی جنگ جهانی دوم رمز های آلمانی ها را می شکست) پیدا است. ماشین های اولیه ی سی دی سی (CDC) صرفاً پردازنده های منفرد پر سرعتی بودند که تا ده برابر سریع تر از سریع ترین ماشین هایی که توسط دیگر شرکت ها معرفی شده بودند کار می کردند. در دهه ی 1970 بیشتر ابر رایانه ها برای استفاده از پردازنده ی برداری طراحی می شدند و بسیاری از بازیگر های تازه کار برای ورود به بازار پردازنده هایی از این نوع را با قیمت ارزان تر عرضه می کردند. در دهه های 1980و 1990 پردازنده های برداری جای خود را به سیستم های پردازش موازی فشرده با هزاران سی پی یو (CPU) ساده ای داد که برخی از آنها واحد های غیر مرسوم و برخی طرح های متداول و سنتی بودند. امروزه طرح های موازی بر پایه ی ریز پردازنده های RISC " غیر مرسوم" مانند PowerPC یا PA_RISC قرار دارند.

--------------------------------------------------------------------------------
ابزار های نرم افزاری

ابزار های نرم افزار ی پردازش توزیعی، API های استاندارد از جمله MPI و PVM و راه حل های نرم افزاری متکی بر منبع باز مانند Beowulf و openMosix، که کار ساخت نوعی از " ابر رایانه های مجازی" با استفاده از مجموعه های ایستگاه کار ها و خدمتگذار های عادی را تسهیل بخشید، را شامل می شود. فن آوری هایی مانند Rendezvous راه تولید خوشه های رایانه های ویژه را هموار ساخت. یک نمونه، تابع تفسیر توزیعی در برنامه کاربردی ترکیبیApple's Shake ست. رایانه هایی که از نرم افزار Shake استفاده می کنند 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 ی ویژه ای ای بهتر از ابر رایانه های سال گذشته نساخته است فاصله ی بین رایانه های رومیزی، یا حتی لپ تاپ ها و ابر رایانه ها 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 عامل های رایانه های رومیزی تداوم یابد. یک زبان برنامه نویسی آسان برای ابر رایانه ها مبحث تحقیقاتی باز و وسیعی را در علم رایانه به جا ی می گذارد .

--------------------------------------------------------------------------------
کاربرد ها

ابر رایانه ها برای کارهایی که به محاسبات زیاد و دقیق نیازمند است به کار می رود از جمله: پیش بینی وضع هوا , تحقیقات آب و هوایی ( که شامل گرم شدن جهانی می شود)، نمونه سازی مولکولی (محاسبه ی ساختار ها و خصوصیات ترکیب های شیمیایی، درشت مولکول های زیستی، بسپار ها, و بلور ها، شبیه سازی های فیزیکی ( 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 کار گیری طرح های ابتکاری و جدید با سرعتی بیشتر از رایانه های متداول کار می کنند. این طرح ها ان ها را قادر می سازد بسیاری کارها را با وجود نیاز به برسی فنی جزییات بغرنج به صورت موازی انجام دهند.ان ها بیشتر برای انجام گونه های خاصی از محاسبات تخصص دارند و در برابر بیشتر کارهای محاسباتی عادی عملکرد 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 کند تر و ابر رایانه ها به خاطر طرح سازمان دهی حافظه و ترکیب بندی اجزا است .
قانون Amdahl برای تمام سیستم های موازی صادق است. ابر رایانه ها تلاش زیادی را برای حذف توالی نرم افزاری اعمال کرده و برای شتاب دادن به تنگنا های (bottlenecks) باقی مانده از سخت افزار بهره می گیرند.

--------------------------------------------------------------------------------
چالش های ابر رایانه و فن آوری ها

یک ابر رایانه تولید گرما می کند و باید خنک شود. خنک سازی بیشتر ابر رایانه ها یک مشکل HVAC بزرگ است .
اطلاعات نمی تواند با سرعتی بیشر از سرعت نور بین دو جز یک ابر رایانه جا به جا شود. به همین دلیل، ابر رایانه هایی که چندین متر طول دارند باید دارای زمان پاسخگویی دست کم یک دهم نانو ثانیه باشد. به این خاطر در طرح ابر رایانه ی کری ساخت سیمور کری از کابل های کوتاه ا ستفاده شده بود.
ابر رایانه ها مقادیر زیادی داده را در مدت زمان کوتاهی مصرف و تولید می کنند. برای اطمینان از این که اطلاعات به سرعت منتقل و به درستی ذخیره و باز یابی می شود به کاری بیشتر نیاز است .

فن آوری هایی که برای ابر رایانه ها شکل گرفته اند عبارتند از:

•پردازش برداری
•خنک سازی به کمک مایع
•دسترسی به حافظه نا یکنواخت(NUMA)
•لوح های شیاری ( که اولین نمونه ی ان بعد ها RAID نام گرفت)
•سیستم فایل موازی

--------------------------------------------------------------------------------
تکنیک های پردازش

تکنیک های پردازش برداری اول بار برای ابر رایانه ها توسعه یافت و همچنان در برنامه های کاربردی با کارایی بالامتخصص مورد استفاده قرار می گیرد . تکنیک های پردازش برداری به بازار مجتمع در معماریDSP ودستورهای پردازش SIMD برای رایانه های همه منظور تحلیل یافته است .

--------------------------------------------------------------------------------
سیتم عامل

سیستم عامل آنها، که اغلب نسخه ای از لینوکس است، با سیستم عامل های دیگر ماشین های کوچکتر تفاوتی ندارند. به هر حال از آنجا که توسعه دهندگان سیستم های عامل منابع برنامه نویسی را محدود کرده اند رابط کاربری ان ها ضعیف تر است. و از این واقعیت منتج می شود که وقتی این رایانه ها که اغلب قیمتی برابر با صد ها هزار دلار دارند به بازار های خیلی کوچک فروخته می شوند بودجه ی 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 تکنیک های برنامه نویسی خاصی را برای به کار گیری سرعت شان تحمیل می کند .کمپایلر های فرترن تک منظوره سریعتر از کمپایلر های زبان برنامه نویسی C و زبان برنامه نویسی++C کد تولید می کنند بنا بر این فرترن زبان انتخابی برنامه نویسی علمی و بنابر این زبان بیشتر برنامه هایی که 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 و MPI ودر ماشین های با حافظه مشترک و هماهنگ از OpenMP استفاده می شود .

--------------------------------------------------------------------------------
انواع ابر رایانه های همه کاره

سه دسته ی اصلی از ابر رایانه های همه کاره وجود دارد:
ماشین های مبتنی بر پردازش موازی عملیات های محاسباتی مشترک را در آن واحد بر حجم زیادی از داده انجام شود.
رایانه های خوشه ای با کابل کشی کوتاه برای پشتیبانی از تعداد زیادی پردازنده و برای این که حافظه ی آنها بتواند با هم در ارتباط باشد از رابط های مخصوص استفاده می کنند . پردازنده ها و وسایل کابل کشی از ابتدا برای ابر رایانه ها طراحی می شوند.سریعترین ابر رایانه های همه کاره دنیا از این فن آوری استفاده می کنند.
خوشه های commodity از تعداد زیادی پی سی های commodity که با شبکه های محلی با پهنای باند زیاد و سرعت عکس العمل کم به هم مرتبطند استفاده می کنند.
در سال 2002 قانون مور (Moore) و اقتصاد مقیاس عامل های غالب در طراحی ابر رایانه ها است: در حال حاضر یک رایانه رو میزی جدید از یک ابر رایانه ی 15 ساله قدرتمند تر است، و دست کم برخی از ترفند های طراحی که باعث می شد ابر رایانه های پیشین بهتر از ماشین های رومیزی کنونی کار کنند درون یک commodity pc's جا داده شده اند .از این گذشته , هزینه ی توسعه و تولید تراشه ها باعث می شد تا طراحی تراشه های سنتی برای یک اجرای کوتاه عملا غیر اقتصادی شده وتراشه های تولید انبوه که با داشتن تقاضا های کافی از عهده ی هزینه ی تولید خود بر می آمدند جای آنها را بگیرند .
علاوه بر این، بسیاری از مسایلی که توسط ابر رایانه ها انجام می شد به طور ویژه برای موازی سازی ( در اصل، تبدیل کردن به بخش های ریز تر برای این که بتوان در ان واحد بر روی ان ها کار کرد) و به خصوص، موازی سازی نسبتاً زمخت (coarse-grained parallelization) که مقدار اطلاعات مورد نیاز برای انتقال بین واحد های پردازش مستقل از هم را محدود می کند، مناسب است. به همین دلیل برای بسیاری از کار ها می توان " خوشه های" رایانه ای با طرح استاندارد که قابل برنامه نویسی برای کار به صورت یک رایانه ی بزرگ هستند را جایگزین ابر رایانه های سنتی و متداول کرد. بسیاری از این ها از سیستم عامل لینوکس استفاده می کنند، به آنها خوشه های Beowulf گفته می شود.
در ابتدای سال 2003 ، ابر رایانه های شماره ی 3 دنیا خوشه ای از commodity است و تحت سیستم عامل لینوکس و با سخت افزار اینتل x86 کار می کند. به هر حال انتظار می رود شماری از پروژه های خوشه ی commodity که تحت لینوکس و با CPU های AMD x86-64 عمل می کنند با سرعت بالاتری کار کنند. اگر این روند تداوم یابد احتمالا لینوکس سیستم عامل استاندارد de facto ابر رایانه ها خواهد شد.
در انتهای سال 2003 ابر رایانه های شماره ی 3 دنیا خوشه ای متفاوت بود، VirginiaTech System X که با Mac OS X بر خوشه ای از سیستم های 1,100 G5 کار می کرد.

--------------------------------------------------------------------------------

ابر رایانه های تک منظوره

ابر رایانه های تک منظوره ابزار های محاسبه ی به کارایی بالا هستند که معماری ان ها برای یک کار خاص طراحی شده است. این باعث می شود بتوان از تراشه های به طور خاص برنامه نویسی شده ی FPGA و یا حتی تراشه های VLSI سنتی استفاده و با قربانی کردن عمومیت، نسبت کار ایی/قیمت بالاتری تولید کرد. از این ابر رایانه ها برای برنامه های کاربردی مانند محاسبه های فیزیک فضایی و کد شکنی brute-force استفاده می شود.

چند نمونه از ابر رایانه های تک منظوره عبارتند از:

•Deep Blue برای بازی شطرنج
•محاسبه قابل پیکر بندی
•GRAPE برای فیزیک فضایی

--------------------------------------------------------------------------------
سریعترین ابر رایانه های امروزی

سرعت یک رایانه عموماً با فلاپ (عملیات های اعشاری در هر ثانیه) اندازه گیری می شود .این اندازه گیری هزینه سربار ارتباطات را نادیده گرفته و فرض می کند که تمام پردازنده ها ی ماشین به داده ها دسترسی وبا تمام سرعت کار می کنند.بنابر این به عنوان یک استاندارد متری ایده ال نیست ولی به هر حال به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد .
در 29 سبتامبر سال 2004م سریعترین ابر رایانه ها نمونه اولیه Blue Gene/L با 16.250پردازنده ساخت IBM می باشد. این ابر رایانه می تواند با سرعت 01/36 ترا فلاپ کار کند. نمونه اولیه Blue Gene/L نسخه ی سفارشی شده ی معماری PowerPc شرکت ای بی ام (IBM) است. این نمونه اولیه فعلاً در Rochester شرکت ای بی ام، نیو یورک 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 یوکوماها ژاپن بود. این ابر رایانه کلاستری از 640 رایانه ی 8- پردازنده ای متعارف و برداری مبتنی بر معماری NEC SX-6 (با مجموع 5120 پردازنده) بود و از یکی از نسخه های سفارشی شده یسیستم عامل یونیکس استفاده می کرد.

ابر کامپیوترها

مطالب مشابه :

زندگی نامه استاد محمدرضا شجريان همراه با دانلود البوم بیداد

زن وهنر 1

لیست مقالات

لیست عناوین صنایع،صنعت و نساجی

زندگی نامه فرح دیبا

دانلود آهنگ استاد شجریان

فیزیک جوش

ابر کامپیوترها