امپراتوری ابررایانه‌ها

در تازه‌ترین موج خبری که در این زمینه به راه افتاده است، گروهی از محققان ژاپنی قدرتمندترین ابررایانه جهان را ارائه کرده‌اند، اما از هم اکنون باید منتظر تلاش مضاعف دانشمندان این عرصه و رونمایی از ابررایانه‌ای به مراتب قوی‌تر از شاهکار اخیر چشم بادامی‌های شرق دور بود.

در گوشه‌ای از انستیتو علوم پیشرفته محاسباتی RIKEN در کوبه ژاپن محققان با شور و شعف خاصی منتظر رونمایی از دستاوردی هستند که ماه‌های طولانی روی آن کار کرده‌اند. ابررایانه‌ای که آنها خلق کرده‌اند هم اکنون به عنوان سریع‌ترین ابررایانه ساخته‌شده در جهان به شمار می‌آید که با کنار زدن رقیب قبلی خود از چین اعتبار دوباره‌ای به علوم محاسباتی در ژاپن داده است. این ابررایانه که K نام دارد، قادر است 8 پتافلاپ محاسبات را تنها در یک ثانیه انجام دهد. 8 پتافلاپ معادل 8 کوادریلیون است. یک کوادریلیون برابر است با عدد یک همراه 15 صفر و این سرعت در اصطلاحات رایانه‌ای با 2/8 پتافلاپ برابری می‌کند، رقمی که حتی درک آن روی کاغذ نیز کاری بس دشوار است. اگر نگاه مقایسه‌ای در این زمینه داشته باشیم فعلا باید ژاپنی‌ها را به عنوان پیشروترین کشور جهان در عرصه ابرسیستم‌های محاسباتی عنوان کنیم.

چندی پیش کنفرانس بین‌المللی ابر محاسبات در هامبورگ آلمان برگزار شد که در آن فهرستی از 500 ابررایانه قدرتمند و سریع جهان منتشر شد که در صدر این فهرست نام K قرار گرفت. اکنون ژاپنی‌ها خیالشان برای ماه‌ها راحت است و می‌دانند که حداقل تا یک سال دیگر رقیبی برای این ابررایانه پیدا نخواهد شد. شرکت ژاپنی فوجیتسو این ابررایانه را ساخته و نکته تامل‌برانگیز این است که تمامی قسمت‌های آن داخل ژاپن ساخته شده است. ابررایانه K مجهز به 68 هزار و 544 سی‌پی‌یو است که هریک نیز 8 هسته‌ای است. گرچه از این ابررایانه قدرتمند رونمایی شده است، اما از نوامبر 2012 به طور رسمی آغاز به کار خواهد کرد. شاهکار شرکت فوجیتسو سرعتی برابر سرعت یک میلیون رایانه خانگی متصل به یکدیگر دارد. سرعت این رایانه 3برابر سرعتی است که پرسرعت‌ترین ابررایانه جهان پیش از این به نام خود به ثبت رسانده بود. ژاپن برای ساخت ابررایانه K، 2/1 میلیارد دلار هزینه کرده و این در حالی است که ژاپن پس از وقوع سونامی و زمین لرزه چند ماه پیش دوران سختی را سپری می‌کند. در حقیقت می‌توان گفت ژاپن با ساخت این ابررایانه، بازگشتی دوباره به جایگاهی داشته است که 7 سال پیش هم آن را در اختیار داشت. برای درک عظمت این ابررایانه می‌توان مقایسه‌ای ساده میان آن و رایانه‌های خانگی انجام داد. این ابرسیستم محاسباتی دارای 70 هزار پردازشگر است و این در حالی است که رایانه‌های خانگی تنها یک پردازشگر دارند. انرژی مصرف‌شده توسط این ابررایانه برای تامین انرژی مورد نیاز 10 هزار خانه مسکونی کافی است و در حالی که سازندگان آن ادعا می‌کنند این ابررایانه کم مصرف است، هزینه فعالیت آن سالانه 6 میلیون پوند تخمین‌زده شده، اما اکنون این پرسش مطرح می‌شود که این ابررایانه به چه منظوری طراحی و ساخته شده است. استفاده در تحقیقات مربوط به بررسی تغییرات جوی، مطالعات مربوط به پیش‌بینی آب و هوا و بررسی احتمال وقوع فجایع طبیعی و شاید از همه مهم‌تر استفاده در امور پزشکی اهدافی است که برای این ابرارایانه در نظر گرفته شده است.

همزمان با پیشرفت روز افزون فناوری ساخت رایانه‌ها، میل به طراحی و ساخت ابررایانه‌ها نیز گسترش قابل توجهی پیدا کرده است. در حقیقت می‌توان گفت بشر برای توسعه بسیاری از فناوری‌ها نیاز به استفاده از ابررایانه‌ها دارد. هم اکنون در گوشه و کنار جهان ابررایانه‌هایی وجود دارند که هریک برای خود شخصیت فنی جالب توجهی دارد. حدود یک سال پیش بود که چینی‌ها با ساخت سریع‌ترین ابررایانه جهان تا آن زمان خبرساز شدند. در حقیقت با معرفی و بهره‌برداری از این ابررایانه آمریکایی‌ها شوکه شدند، چون تا پیش از این سریع‌ترین ابررایانه جهان در آمریکا قرار داشت. ابررایانه موسوم به تیان.هه وان.ای که به معنی کهکشان راه‌شیری است، توسط مرکز تحقیقات وزارت دفاع چین در منطقه تیانجین ساخته و مورد بهره‌برداری قرار گرفت. با ساخت این ابررایانه پر قدرت، سریع‌ترین ابررایانه جهان متعلق به آمریکا موسوم به Cray XT5 Jaquar در رده دوم جای گرفت. سرعت پردازش ابررایانه چینی 4/1 برابر بیشتر از ابررایانه آمریکاست که در آزمایشگاه ملی آمریکا در تنسی قرار دارد. به گفته مسوولان مرکز تحقیقات وزارت دفاع چین، ابررایانه تیان.هه یا کهکشان راه‌شیری در اوج عملکرد خود می‌تواند به 2/1 پتافلاپ برسد که در مقایسه با ابررایانه آمریکایی مستقر در تنسی که 563 ترافلاپ را اجرا می‌کند سرعت بسیار بالایی را دارد. تیان.هه در مجموع 155 تن وزن داشته و شامل 103 رک به صورت کابینتی است که در فضایی معادل هزار مترمربع بنا ساخته شده است. بیش از 14 هزار و 336 سی‌پی‌یوی اینتل از سری زئون همراه 7168 جی‌پی‌یوی انویدیا از سری تسلا در آن جاسازی شده است تا حداکثر کارایی را هنگام محاسبه و پردازش نشان دهد. به گفته محققان مرکز تحقیقات وزارت دفاع چین در مقایسه با قدرت ایجاد شده توسط ابررایانه همین قدر کافی است بدانیم قدرت یک روز آن معادل قدرت 160 سال پی‌سی با سی‌پی‌یوی دو هسته‌ای است. پروژه ساخت این ابررایانه حدود 2 سال و توسط 200 دانشمند رایانه انجام شده است، اما بدون شک هزینه‌ای که برای ساخت آن صرف شده است، نباید از حیث هیجان دست کمی از هیجان نهفته در عملکرد آن داشته باشد. هزینه ساخت ابررایانه کهکشان راه‌شیری معادل 88 میلیون دلار بوده و عجیب آن که حدود 04/4 مگاوات برق نیز استفاده می‌کند. اکتشافات نفتی، مهندسی پزشکی و طراحی و ساخت ماشین‌های فضایی از جمله کارهایی است که قرار است به وسیله این ابررایانه کار محاسباتی و پردازشی‌شان صورت گیرد.

ابررایانه‌هایی از این دست می‌توانند انبوهی از محاسبات را در کسری از زمان انجام دهند، کاری که بشر تا چند دهه پیش تنها آرزوی آن را داشت. SGI Altix ICE 8200EX از دیگر ابررایانه‌های قدرتمند و سریعی است که هم اکنون در فرانسه است. این ابررایانه می‌تواند در هر ثانیه 1/106 پتافلاپ محاسبه را انجام دهد (هر پتافلاپ برابر است با یک تریلیون نور). این ابررایانه هم اکنون در اختیار شرکت نفتی توتال فرانسه است که از آن، در اکتشاف و بهره برداری از میادین ناشناخته نفت و گاز استفاده می‌شود. گذشته از آن این ابررایانه بزرگ‌ترین سیستم محاسباتی در جهان است که از سوی یک شرکت صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مهندسان شرکت توتال از این ابررایانه برای تصویربرداری از اعماق زمین استفاده می‌کنند تا با بررسی آنها بتوانند میادین غنی از هیدروکربن‌ها را پیدا کنند. یکی از نکات جالب توجه درخصوص این ابررایانه، حرارت چشمگیری است که از CPU‌های آن تولید می‌شود. مهندسان شرکت توتال برای استفاده از این میزان حرارت، فکر جالب توجهی کرده‌اند. آنها از این حرارت برای تامین گرمای مورد نیاز در ساختمان مرکزی محل نگهداری این ابررایانه استفاده می‌کنند!

یکی از ابررایانه‌های خبرسازی که در چند سال گذشته خدمات زیادی به بشر کرده است. BlueGene/P نیز همچون SGI Altix ICE 8200EX در فرانسه و در انستیتو توسعه منابع انفورماتیک این کشور قرار دارد. ابررایانه ژن‌آبی‌پی تنها یکی از معدود سیستم‌های محاسباتی شرکت IBM است که در فهرست مهم‌ترین ابررایانه‌های جهان قرار دارد. این ابررایانه همکاری تنگاتنگی با ابررایانه دیگری در مونپلیه فرانسه دارد. این همکاری عمدتا در زمینه توسعه تحقیقات علمی در عرصه انفورماتیک است.

از همان زمانی که ابررایانه‌ها به عنوان یک فناوری فوق کاربردی در دنیا مطرح شدند، این مشکل احساس می‌شد که چگونه می‌توان دسترسی انبوهی از محققان در گوشه و کنار جهان به آنها را محقق کرد. شرکت‌هایی که در این عرصه فعال هستند، ایده‌های مختلفی را مطرح کرده‌اند که برخی از آنها به نظر می‌رسد که رنگ واقعیت را به خود می‌گیرند. شرکت IBM از جمله این شرکت‌هاست. این شرکت برای حل مشکل محدود بودن دسترسی محققان جهان به ابررایانه‌ها، طرح ابررایانه‌های مجازی را ارائه کرده است که از اتصال چند هزار رایانه خانگی بی‌استفاده به یکدیگر به وجود می‌آیند. خریدن یک ابررایانه به میلیون‌ها دلار پول نیاز دارد و پس از خریداری نیز نگهداری و حفظ چنین سیستمی ماهانه هزاران دلار هزینه در بر خواهد داشت، البته این در صورتی است که هزینه گزاف ناشی از مصرف برق این دستگاه نادیده گرفته شود. علاوه بر کاربران عادی، بسیاری از دانشمندان نیز توانایی دسترسی یا در اختیار داشتن ابررایانه‌ها را ندارند، حتی اگر در دانشگاهی کار کنند که دارای ابررایانه است. این در حالی است که دانشمندان در زمینه‌های مطالعاتی بهداشت، فیزیک اخترشناسی و هواشناسی به ابررایانه‌ها نیاز دارند تا از سرعت بالای محاسبات و پردازش آنها در کوتاه‌ترین زمان ممکن استفاده کنند. شاید انجام یک شبیه‌سازی رایانه‌ای با استفاده از یک رایانه‌معمولی 10 سال طول بکشد، اما در صورتی که بتوان میلیون‌ها رایانه‌معمولی را به یکدیگر وصل کرد و حل یک معادله را به تمامی آنها واگذار کرد، می‌شود به یک ابررایانه مجازی دست یافت و این همان کاری است که اکثر افراد نیازمند به استفاده از ابررایانه‌ها انجام می‌دهند. سازمان‌های متعددی وجود دارند که با کمک داوطلبانی که قدرت پردازش رایانه‌های خود را اهدا می‌کنند، ابررایانه‌های مجازی راه‌اندازی کرده‌اند. در این ابررایانه‌ها، رایانه کاربران داوطلب در زمانی که از آنها استفاده‌ای نمی‌شود، به کار گرفته می‌شود. به این شکل هر فردی می‌تواند با مراجعه به وب سایت‌ها، نرم افزار مربوط به اتصال به ابررایانه را نصب کرده و با استفاده از آن به شبکه‌ای از رایانه‌ها متصل شود. قدرت رایانه‌های وصل شده به چنین شبکه‌ای چندی هزار یا چندی میلیون برابر خواهد شد و قدرت پردازش این شبکه به اندازه‌ای باورنکردنی افزایش خواهد یافت. در دل پروژه ابررایانه‌های مجازی مقوله‌ای موسوم به طرح شبکه محاسباتی داوطلبانه وجود دارد. این طرح تاکنون در پروژه‌های مختلفی از قبیل شبکه اجتماع جهانی، «ستی» (SetiAtHome) و (EinsteinAtHome) مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این پروژه‌ها یک وظیفه محاسباتی به میلیاردها قطعه تبدیل شده و در میان رایانه‌های شبکه ابررایانه مجازی تقسیم می‌شود. پروژه ستی یکی از مشهورترین پروژه‌های این طرح به شمار آید. این پروژه توسط محققان دانشگاه برکلی در سال 1999 و با هدف یافتن سیگنال‌های رادیویی مرتبط با حیات فرازمینی راه‌اندازی شده است. پروژه‌های دانشگاه استنفورد با نام FoldingAtHome و دانشگاه ویسکانسین و موسسه آلبرت اینشتین با نام EinsteinAtHome به منظور مطالعه روی امواج گرانشی راه‌اندازی شده‌اند. ابررایانه مجازی پروژه دانشگاه استنفورد با در اختیار داشتن 350 هزار رایانه اهداشده یکی از بزرگ‌ترین ابررایانه‌های مجازی به شمار می‌رود.

تمامی پروژه‌هایی که از آنها نام برده شد در برابر ابررایانه آکادمیک پروژه شبکه انجمن جهانی یا WCG که توسط IBM هدایت می‌شود بسیار ناچیز و کوچک به شمار می‌روند. این ابررایانه از 8/1 میلیون رایانه متصل به هم تشکیل شده است که قدرت پردازش آنها را می‌توان با یکی از 5 ابررایانه برتر جهان مقایسه کرد. در واقع این ابررایانه مجازی همواره در میان 5 ابررایانه و 10 ابررایانه برتر جهان شناور است و برتری آن به تعداد رایانه‌هایی بستگی دارد که در لحظه به آن وصل می‌شوند. با در اختیار داشتن 300 هزار رایانه دیگر ابررایانه WCG به قدرتمندترین ابررایانه‌ای تبدیل خواهد شد که در جهان وجود دارد. شبکه IBM می‌تواند به حل شدن برخی از چالش برانگیزترین مسائل و بحران‌های جهان کمک کند. در حال حاضر 8 پروژه فعال از جمله تحقیقات برای یافتن درمان ایدز، سرطان در میان کودکان، درمان تحلیل عضلانی، ارائه راه‌حل‌هایی برای تولید آب پاک و بهبود فناوری سلول‌های خورشیدی توسط این ابررایانه در دست اجرا هستند. همچنین پروژه‌هایی در زمینه تحقیقات ژنتیکی و شیوه‌های جدید نمونه‌برداری توسط ابررایانه IBM به پایان رسیده‌ است. محققان دانشگاه تگزاس نیز از این ابررایانه برای انجام تحقیقاتی برای مبارزه با تب «دنگی» استفاده می‌کنند. به گفته این محققان در دانشگاه تنها امکان دسترسی به خوشه‌رایانه‌ای با 128 پردازشگر وجود دارد، در صورتی که با اتصال به این ابررایانه می‌توان از قدرت پردازش 12 هزار پردازشگر استفاده کرد. در این پروژه نتیجه اطلاعات وارد شده معمولا پس از یک تا 6 ماه برگردانده می‌شود. شرکت IBM در حال حاضر طرح دانشمندانی را که در زمینه مطالعات بشردوستانه فعالیت دارند، اما توانایی پرداخت هزینه گزاف استفاده از ابررایانه‌های موجود را در اختیار ندارند، پذیرا می‌شود. نرم افزاری که داوطلبان برای اتصال به شبکه به آن نیاز دارند، معمولا بسیار ساده است و تنها قابلیت ارتباط و قطع شدن رایانه‌ها به شبکه مجازی ابررایانه‌ای را دارد و تنها قادر است واحد پردازشگر مرکزی رایانه را تشکیل دهد و در هر زمان یک الگوریتم را فعال کند.