پیشبرد دانش در مقیاس ابررایانه‌ها

نتایج پژوهش شرکت بین‌المللی داده‌ها (IDC) درسال۲۰۱۷ نشان می‌دهد۹۷درصد شرکت‌های برخوردار ازابررایانه معتقدند فعالیت بدون آن دیگر برایشان امکان‌پذیر نیست. به‌دلیل ظرفیت بالای ابررایانه‌ها، این ماشین‌های بزرگ محاسباتی همچنین قادرند در پژوهش‌های علمی نقش مهمی ایفا کنند. برای مثال سال ۲۰۲۰ اوایل عالم‌گیری کرونا، ابررایانه‌ سامیت که در آن‌زمان پرقدرت‌ترین ماشین محاسباتی جهان بود، به دانشمندان کمک کرد تا پروتئین اسپایک را از ویروس کووید-۱۹ جدا و شناسایی کنند. پیش‌از استفاده از ابررایانه، محققان راهی برای توصیف این پروتئین نداشتند. پس از آن، شرکت‌ها و کشورها توانستند طراحی، توسعه و در نهایت آزمایش واکسن‌های موثر را برای مقابله با این ویروس مهلک اجرا کنند. 

ابررایانه‌ها که ابتدا برای طراحی سلاح‌های هسته‌ای ورمزگشایی توسعه یافتند امروزه اغلب برای شبیه‌سازی آزمایش‌هایی استفاده می‌شوندکه ممکن‌است انجام آنها درزندگی‌واقعی بسیارپرهزینه،خطرناک یاحتی غیرممکن‌باشد.برای‌مثال، پژوهشگران ازاین ماشین‌ها برای شبیه‌سازی‌ درک چگونگی انفجارستاره‌ها یاتزریق سوخت به داخل موتوراستفاده می‌کنند.پیش‌بینی تغییرات اقلیمی، کشف تکامل کیهان و کشف ترکیبات شیمیایی جدید با هدف توسعه داروهای جدید از دیگر شبیه‌سازی‌هایی است که با ابررایانه‌ها انجام می‌شود.
 
پرقدرت‌ترین ابررایانه جهان
سطح بالای عملکرد ابررایانه‌ها با عملیات ممیز شناور در ثانیه (فلاپس) اندازه‌گیری می‌شود، واحدی که نشان می‌دهد هر ابررایانه می‌تواند در بازه زمانی معینی چند مسأله محاسباتی را حل کند. براساس تازه‌ترین رده‌بندی ۵۰۰ ابررایانه برتر جهان که اردیبهشت امسال منتشر شد ابررایانه فرانتیر واقع در آزمایشگاه ملی اوک‌ریچ در تنسی آمریکا با سرعت ۲۰۶.۱ اگزافلاپس بار دیگر به‌عنوان قوی‌ترین سامانه رایانشی جهان انتخاب شد. این سامانه در مجموع ۸ میلیون و ۶۹۹ هزار و ۹۰۴ هسته سی‌پی‌یو و جی‌پی‌یو ترکیبی دارد. مصرف برق فرانتیر حدود ۲۷مگاوات است که این میزان الکتریسیته برای تامین برق نزدیک به۱۰هزار خانه کافی است.این ماشین که نخستین ابررایانه اگزامقیاس جهان است ازسال۲۰۲۲عملیاتی شدو از آن‌زمان تاکنون همچنان به‌عنوان سریع‌ترین ابررایانه جهان شناخته می‌شود. فرانتیر با سرعت بی‌سابقه‌ای از سرعت همزمان ۱۰۰هزار لپ‌تاپ پیشی‌ می‌گیرد و این همان‌ قدرتی است که به پژوهشگران اجازه می‌دهد داده‌های مختلف را برای انجام مطالعات در علوم مختلف کاوش کنند.دانشمندان قادرند ازسراسر جهان به این ابررایانه دسترسی داشته باشند. به‌طوری‌که درسال۲۰۲۳فرانتیردرمجموع ۱۷۴۴کاربراز۱۸کشور داشت. نتیجه این دسترسی سبب شد که آزمایشگاه اوک‌ریچ پیش‌بینی کند که تا پایان سال۲۰۲۴کاربران این ابررایانه دست‌کم ۵۰۰ مقاله براساس محاسباتی که با این دستگاه انجام شده‌ است، منتشر کنند.
 
شبیه‌سازی با ابررایانه‌ها
فرانتیر به‌عنوان پرقدرت‌ترین ابررایانه جهان درهمین مدت کوتاهی که به بهره‌وری رسیده درپژوهش‌های بسیاری شرکت کرده است. برای‌مثال، جولای ۲۰۲۳ نتایج پژوهشی که درنشریه نیچر منتشر شد نشان داد که مت نورمن، اقلیم‌شناس آزمایشگاه اوک‌ریچ همراه با گروهی از پژوهشگران بین‌المللی از این ابررایانه برای اجرای مدل‌های اقلیم جهانی با وضوح ۲۵.۳کیلومتر استفاده کردند. قابلیت رایانشی فرانتیر برای ایجاد پیش‌بینی‌های اقلیمی چند دهه آینده در این وضوح بالا ضروری بود. این مدل همچنین اثرات حرکت پیچیده ابرها را هم نشان داده است. برای این‌که مدلی برای پیش‌بینی وضعیت آب‌وهوا و اقلیم کاربردی باشد باید دست‌کم در هر روز تغییرات یک‌سال را شبیه‌سازی کرد و فرانتیر توانست۲۶.۱سال رادر یک روز شبیه‌سازی کند. این سرعت به پژوهشگران اجازه می‌دهد وضعیت اقلیمی ۵۰ سال آینده را با دقت‌ بیشتری نسبت به شبیه‌سازی‌های قبلی پیش‌بینی‌کنند. این ابررایانه در حوزه کیهان‌شناسی هم به نتایج چشمگیری رسیده است. ایوان اشنایدر، اخترفیزیکدان دانشگاه پیتسبورگ در پنسیلوانیا از این ابررایانه برای مطالعه چگونگی تکامل کهکشان‌های در ابعاد راه‌شیری با افزایش سن استفاده کرد. مدل‌های کهکشانی که فرانتیر عرضه کرده است ساختارهای کهکشانی در مقیاس بزرگ به اندازه ۱۰۰هزار سال نوری (۳۰ هزار و ۶۰۰ پارسک) را در برمی‌گیرد.پیش‌از فرانتیر، بزرگ‌ترین ساختارهایی که دانشمندان می‌توانستند با وضوح قابل مقایسه شبیه‌سازی کنند، کهکشان‌های کوتوله بودند که حدود یک‌پنجاهم جرم کهکشان‌های در ابعاد راه‌شیری هستند. شبیه‌سازی‌های اشنایدرکه نتایجش درشماره جولای۲۰۲۴ژورنال اخترفیزیک منتشرشد،نشان می‌دهدکه چگونه ابرنواخترهاباعث نشت گازازاین کهکشان‌ها می‌شوند.با گذشت زمان،هزاران تا میلیون‌ها انفجارابرنواختری درمجموع مقدارقابل توجهی گاز آزادمی‌کنندکه درنهایت ازکهکشان خارج می‌شود.ازآنجاکه این گاز ماده‌ای خام است و ستارگان جدید از آن زاده می‌شوند،با افزایش سن کهکشان‌هاونشت بیشترگاز،فرآیند تشکیل ستاره‌هاآهسته می‌شود.