HPC چیست؟ آشنایی با پردازش سریع و مزایای آن

به طور سنتی، سرور پردازش سریع تقریباً به طور انحصاری در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گرفت که توسط دولت ها و مؤسسات دانشگاهی هدایت می شد. با این حال، استفاده از آن ها در بخش های مختلفی مانند امور مالی گسترش یافته، جایی که از آن ها برای مدل سازی ریسک های مالی استفاده می شود یا برای مثال جلوه های بصری پیچیده در فیلم ها را تقویت می کنند. High Performance Computing به طور فزاینده ای در موضوعات و رشته های در حال رشد مانند تجزیه و تحلیل داده های بزرگ و هوش مصنوعی (AI) که در آن ها قدرت محاسباتی یک قسمت بسیار مهم است، مورد استفاده قرار می گیرد. با رشد روز افزون اندازه داده ها و پیچیدگی مدل ها، HPC برای کارهایی مانند آموزش مدل های پیچیده ماشین لرنینگ، تجزیه و تحلیل مجموعه داده های بزرگ یا اجرای شبیه سازی هایی که شامل سیستم هایی در مقیاس بزرگ است، تبدیل به یک ضرورت می شود. ماهیت HPC در توانایی آن برای سرعت بخشیدن به زمان های محاسباتی از سال ها و ماه ها به روزها و ساعت ها تغیر پیدا کرده است و امکان پیشرفت های علمی و فناوری را فراهم می کند که می تواند اساساً درک ما از جهان را تغییر دهد و منجر به مزایای اجتماعی مانند بهبود مراقبت های بهداشتی و مدیریت زیست محیطی بهتر شود.

معماری سیستم های پردازش سریع

HPC به شکل منحصر به فردی طراحی شده است تا وظایف محاسباتی فشرده را به طور کارآمد، مدیریت و پردازش کند. معماری این سیستم ها پیچیده و هدفمند است و اجزای مختلفی را در بر می گیرد که هماهنگ کار می کنند. در اینجا عناصر و ملاحظات کلیدی معماری در سرور پردازش سریع آمده است:

محاسبات CPU وGPU

CPU (واحد پردازش مرکزی) جزء اصلی برای پردازش دستورالعمل ها در رایانه است. در HPC، از CPU هایی با چندین هسته برای انجام پردازش موازی استفاده می شود که باعث افزایش قابلیت های محاسباتی می شود.

محاسبات GPU (واحد پردازش گرافیک) شامل استفاده از شتاب دهنده های GPU در ارتباط با CPU است. پردازنده های گرافیکی که در ابتدا برای رندر کردن گرافیک طراحی شده اند، در موازی سازی داده ها و کارهای محاسباتی بسیار کارآمد هستند و آن ها را به یک مکمل ارزشمند برای HPC تبدیل می کند.

پردازش موازی و محاسبات توزیع شده

HPC بر اصول پردازش موازی متکی است، جایی که بسیاری از محاسبات یا فرآیندها به طور همزمان انجام و با توزیع وظایف در چندین واحد محاسباتی، تسهیل می شود. پردازش موازی با توزیع وظایف در شبکه ای از کامپیوترهای به هم پیوسته (به طور مشخص در مکان های جغرافیایی مختلف) که در یک بخش مشخص با یکدیگر همکاری می کنند، سرعت انجام محاسبات را بالا می برد.

ذخیره سازی و شبکه

نقش سیستم های ذخیره سازی مقیاس پذیر که برای ذخیره حجم زیادی از داده ها در HPC باید به سرعت در دسترس باشند، حیاتی است. سیستم های ذخیره سازی پرسرعت از فناوری هایی مانند درایوهای حالت جامد (SSD) استفاده می کنند و اغلب در سیستم های فایل موازی مرتب می شوند تا توان عملیاتی را به حداکثر برسانند. شبکه های کارآمد، ستون فقرات HPC هستند. یک شبکه کارآمد CPU ،GPU، سیستم ذخیره سازی و سایر منابع را با اتصالات پرسرعت مانند InfiniBand یا اترنت با پهنای باند بالا به هم متصل می کند که این امر انتقال سریع داده و ارتباط بین تمام اجزای سیستم را تضمین می کند.

حافظه

سیستم های HPC دارای سلسله مراتب پیچیده ای در حافظه هستند که برای ایجاد تعادل بین ارائه مقادیر زیاد حافظه و حفظ سرعت حافظه کافی برای تامین داده ها به واحد های پردازشی، طراحی شده اند. این سلسله مراتب شامل رجیسترها، حافظه پنهان، حافظه اصلی (RAM) و ذخیره سازی دیسک می شود که از سریع ترین به کندترین مرتب می کند.

مقیاس پذیری

با رشد نیازهای محاسباتی، معماری HPC باید مقیاس می شد و این امر از طریق معماری های مقیاس پذیر صورت می گیرد که اجازه می دهد سرعت عملکرد با اضافه شدن منابع بیشتر، افزایش یابد. این سیستم ها با مقیاس پذیری عمودی (افزودن قدرت بیشتر به یک گره) و مقیاس پذیری افقی (افزودن گره های بیشتر) طراحی شده اند.

در اصل، سیستم های HPC طوری مهندسی شده اند که چندین عنصر محاسباتی پرقدرت را برای محاسبات پشت سر هم، پردازش مجموعه ای از داده های عظیم و اجرای شبیه سازی های پیچیده که در کامپیوترهای استاندارد غیرممکن است، انجام دهند. این سیستم ها نیازمند طراحی دقیق و هماهنگی بین سخت افزار و نرم افزار برای اطمینان از عملکرد و کارایی بهینه با توجه به هزینه و مصرف بالای انرژی هستند.

اجزای اصلی HPC

HPC از چندین مؤلفه اساسی تشکیل شده است که در اینجا اجزای اساسی که زیرساخت HPC را تشکیل می دهند آورده شده است:

پردازنده ها و هسته ها

واحدهای پردازش مرکزی (CPU) جزء اصلی سیستم های HPC هستند و پردازش چندین دستورالعمل و جریان داده را به طور همزمان امکان پذیر می کنند. واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) برای بسیاری از بارهای کاری، به ویژه آن هایی که به قابلیت های پردازش موازی نیاز دارند، استفاده می شود.

اتصالات پر سرعت

سخت افزار شبکه ای که گره ها را در یک سیستم HPC به هم متصل می کند، بسیار مهم است. اتصالات پرسرعت مانند InfiniBand و اترنت پر توان برای به حداقل رساندن زمان انتقال داده بین گره ها استفاده می شود.

حافظه و ذخیره سازی

حافظه دسترسی تصادفی (RAM) جایی است که دستگاه، اطلاعاتی را که در حال حاضر در حال پردازش هستند را ذخیره می کند. در HPC، سیستم ها اغلب دارای مقدار زیادی RAM برای مدیریت مجموعه داده های بزرگ و محاسبات پیچیده هستند و فضای ذخیره سازی از هارد دیسک های سنتی گرفته تا درایوهای حالت جامد (SSD) متفاوت است و از پیکربندی های پیچیده تری مانند ذخیره سازی متصل به شبکه (NAS) و شبکه منطقه ذخیره سازی (SAN) استفاده می شود. سیستم های فایل موازی در HPC برای پخش داده ها در چندین دیسک استفاده می شوند و دسترسی با سرعت بالا و افزونگی را ممکن می سازند.

نرم افزار

سیستم‌ های HPC معمولاً بر روی یک سیستم عامل مانند لینوکس اجرا می شوند که به دلیل مقیاس پذیری و انعطاف پذیری که ارائه می دهد، مورد علاقه است. این سیستم ها منابع سخت افزاری موجود را بین کاربران به طور کارآمد تخصیص می دهند. میان افزار ها هم که بین سیستم عامل و برنامه های کاربردی قرار دارند، خدمات ضروری مانند ارسال پیام، احراز هویت و مدیریت ورودی/خروجی را ارائه می دهند.

سیستم های خنک کننده

 به دلیل چگالی بالای توان محاسباتی، گرمای قابل توجهی در سیستم ها تولید می شود و برای مدیریت دما به سیستم های خنک کننده پیشرفته مانند راه حل های خنک کننده مایع نیاز است.

زیرساخت فیزیکی

قفسه ها و محفظه ها برای قرار دادن و سازماندهی اجزای سخت افزاری HPC از جمله سرورها، واحدهای ذخیره سازی و تجهیزات شبکه، طراحی شده اند. منابع تغذیه کارآمد و قابل اعتماد، همراه با سیستم های مدیریت و توزیع برق، برای راه اندازی این سیستم های انرژی بر بسیار مهم هستند.

کاربردهای HPC

High Performance Computing کاربردهای بسیار متنوعی در بخش های مختلف دارد. قدرت محاسباتی باورنکردنی این سیستم ها، کاربران را قادر می سازد تا با مشکلاتی که مانع محاسبات در مقیاس بزرگ و با سرعت بالا و مدیریت مجموعه های داده عظیم هستند، مقابله کنند. در اینجا برخی از کاربردهای برجسته HPC آورده شده است:

تحقیقات علمی و شبیه سازی: در فیزیک با شبیه سازی فعل و انفعالات ذرات، رویدادهای کیهانی یا فرآیندهای همجوشی هسته ای برای پیشبرد درک ما از نیروهای اساسی و ماده به کار گرفته می شود. در شیمی و علم مواد در پیش‌بینی خواص مواد یا مولکول ها، کمک به ساخت داروهای جدید یا کشف مواد جدید به ما کمک می کند.

پیش بینی آب و هوا: اجرای مدل های پیچیده برای پیش بینی الگوهای آب و هوا، حوادث طوفان شدید یا تغییرات آب و هوایی طولانی مدت با دقت بیشتر انجام می شود.

بیو انفورماتیک و علوم بهداشتی: برای تجزیه و تحلیل توالی ژن ها برای درک اختلالات ژنتیکی، پیشبرد پزشکی شخصی یا تسریع در ساخت واکسن و همچنین شبیه سازی فرآیندهای تاشو پروتئین یا بیولوژیکی، برای کشف دارو و درک بیماری ها ضروری است.

شبیه سازی های مهندسی و صنعتی: طراحی و آزمایش هواپیماها برای افزایش عملکرد و ایمنی و در عین حال کاهش هزینه ها و زمان عرضه به بازار و در خودروها شبیه سازی تست های تصادف، آیرودینامیک و سیستم های موتور برای بهبود کارایی و ایمنی خودرو انجام می شود. مدل سازی سازه های بزرگ مانند سدها یا ساختمان ها برای تست تنش، بهینه سازی طراحی و استفاده از مصالح هم یکی از موارد کاربرد است.

امور مالی و رمزنگاری: برای پردازش مدل های مالی پیچیده برای مدیریت ریسک، قیمت‌گذاری مشتقات یا استراتژی های معاملاتی کمی و همچنین شکستن کدهای رمزنگاری یا آزمایش الگوریتم های رمزگذاری برای اطمینان از امنیت داده ها استفاده می شود.

Big Data: تجزیه و تحلیل مجموعه داده های بزرگ برای روندها، الگوها و بینش ها در زمینه هایی مانند هوش تجاری یا تحقیقات علوم اجتماعی صورت می گیرد.

هوش مصنوعی و ماشین لرنینگ: آموزش مدل های پیچیده هوش مصنوعی، به ویژه شبکه های یادگیری عمیق که برای پردازش مجموعه داده های بزرگ به ظرفیت محاسباتی زیادی نیاز دارند.

نتیجه گیری

محاسبات با عملکرد بالا (HPC) نقشی اساسی در پیشرفت تکنولوژی دارد و نوآوری را در طیف گسترده ای از رشته ها ایجاد می کند. همانطور که بررسی کردیم، از اکتشافات علمی تا طراحی صنعتی، مراقبت های بهداشتی و حتی آب و هوا، تأثیر سیستم های HPC عمیق و گسترده است. قابلیت های محاسباتی بی‌سابقه ای که ارائه می شود، در حل برخی از چالش برانگیزترین و پیچیده ترین مسائل مؤثر بوده است. در مجموع، HPC نه تنها برای بخش های علمی و صنعتی بلکه برای پیشرفت جامعه به عنوان یک ابزار ضروری تبدیل شده و تکامل مستمر آن مستلزم ادغام فناوری های پیشرفته، نرم افزارهای نوآورانه و سرپرستی آگاهانه است. همانطور که چالش های محاسباتی پیچیده تر می شوند، اتکا به سیستم های پردازش سریع افزایش می یابد و جایگاه آن را به عنوان ستون های اکتشاف و نبوغ امروزی مستحکم می کند.