High Performance Computing چیست ؟ کاربرد HPC

رپرتاژ آگهی: به همین دلیل پیدایش و اختراع پردازش‌های فوق سریع که به آن HPC می‌گویند، به‌طور ویژه در دنیای مدرن نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند. این پردازش‌ها راهکارهایی برای ارزیابی یا پیشگویی مدل‌های موجود و آنالیز داده‌های انبوه ارائه می‌دهند و باعث پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه‌های مرتبط با سیستم‌های فناوری اطلاعات، سیستم‌های مرتبط با صنعت بانکی و همچنین زمینه‌های علمی می‌شوند. در این مقاله قصد داریم اول از همه به این سوال که HPC» چیست؟» پاسخ دهیم و سپس به بررسی نحوه عملکرد و کاربردهای پردازش‌های فوق سریع بپردازیم. به یقین پس از مطالعه این مقاله، با یکی از مهمترین عناصر پیشبرد محاسبات در دنیای مدرن آشنا خواهید شد.

HPC یا محاسبه‌گر با عملکرد بالا

HPC نوعی فناوری است که در این روش از پردازنده های خوشه ای یا (cluster) های قدرتمند به صورت موازی استفاده می‌شود. در واقع انجام محاسبات به صورت موازی، به مقدار قابل توجهی باعث صرفه جویی در زمان می‌شود. از این تکنولوژی برای پردازش مجموعه داده‌های (Dataset) چندبعدی بزرگ (Big data) و حل مسائل پیچیده با سرعت بسیار بالا استفاده می‌شود. سرعت سیستم‌های HPC معمولا بیش از یک میلیون برابر سرعت سیستم‌های سرور یا کامپیوترهای شخصی است.

الگوی کاری سیستم HPC درواقع فراکامپیوتر (Supercomputer) است؛ فراکامپیوتر یک کامپیوتر هدفمند است که میلیون‌ها پردازنده یا هسته پردازنده را درون خود جای داده است و کماکان نیز در دنیای امروز استفاده می‌شود. بااین‌حال، راه‌حل‌های HPC که روی کلاسترهایی از سرورهای کامپیوتر با سرعت بالا که در محل یا روی ابر میزبانی می‌شوند، بیشتر مورد استقبال سازمان‌های امروزی قرار گرفته‌اند.

درک بهتر کلاستر های HPC و نحوه دسترسی به آنها

کلاستر HPC مجموعه‌ای از کامپیوترهای به هم پیوسته است که به‌عنوان یک سامانه واحد به‌ صورت موازی کار می‌کنند و عملیات های محاسباتی در مقیاس بزرگ انجام می‌دهند. کلاسترهای HPC برای ارائه عملکرد و مقیاس‌پذیری بالا طراحی شده‌اند که دانشمندان، محققان و مهندسان را قادر به حل مسائل پیچیده‌ای می‌سازند که حل آن‌ها با یک کامپیوتر شخصی عملا غیرممکن یا در بهترین حالت بسیار زمان‌بر و پرهزینه است. کلاستر پردازش فوق سریع معمولا از تعداد زیادی گره (Node) محاسباتی مجزا تشکیل شده است که هرکدام از آن‌ها به یک یا چند پردازنده، شتاب‌دهنده (Accelerator)، حافظه و فضای ذخیره‌سازی مجهز هستند. این گره‌ها به‌وسیله یک شبکه (server) با کارایی بالا به هم متصل شده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد اطلاعات را به اشتراک بگذارند و در انجام وظایف با یکدیگر همکاری کنند.

نحوه دسترسی به کلاستر های HPC به دو صورت است؛ خرید سرور و یا اجاره یک سرور که بنابر نیاز سازمان یا شخص استفاده کننده، انتخاب هر یک از این روش ها مقرون به صرفه تر بوده و هر کدام دارای مزایای مختص به خود هستند که در ادامه این مقاله به تفصیل مورد بررسی قرار میگیرند.

برای به کار گیری یک سرور دارای فناوری HPC به صورت اجاره ای (Rental) یا ابری، پارامتر هایی از قبیل هزینه تمام شده، پشتیبانی سریع و ۲۴ ساعته، تضمین کیفیت سرور ، راحتی استفاده از راه دور و تضمین امانت داری در اطلاعات، متغیر هایی هستند که باید هنگام انتخاب شرکت ارائه دهنده خدمات مورد بررسی قرار بگیرند.

درصورت به کار گیری سرور HPC به صورت سازمانی و در محل (colocational) ، نیاز به انتخاب بهترین سرور از لحاظ هزینه، توان محاسباتی، امنیت، قابلیت تعمیر و نگهداری و ارتقاء شبکه و خدمات پس از فروش است. لذا در صورتی که خرید سرور HP به صورت سازمانی، به صرفه تر باشد، استعلام قیمت سرور اچ پی و هزینه های نگهداری، در اصل مهمترین اقدامی است که توسط کاربر یا شرکت درخواست کننده خرید سرور باید صورت پذیرد.

اساس کار تکنولوژی HPC به چه صورت است؟

سیستم محاسباتی، مسائل را با استفاده از محاسبات سریال (Serial computing) حل می‌کند. این سیستم، بار کاری (Workload) را به دنباله‌ای از وظایف تقسیم کرده و سپس آن‌ها را یکی پس از دیگری در همان پردازنده انجام می‌دهد. در ادامه به بررسی نحوه عملکرد HPC می‌پردازیم:

محاسبات موازی انبوه: رایانش موازی چندین وظیفه را به‌طور هم‌زمان روی ده ها هزار تا میلیون ها پردازنده اجرا می‌کند.

کلاسترهای HPC: کلاستر HPC از چندین سرور کامپیوتری سریع تشکیل شده است که به یکدیگر شبکه شده‌اند. این شبکه با زمان‌بندی متمرکز، بار کاری رایانش موازی را مدیریت می‌کند. کامپیوترها که گره (Node) نیز نامیده می‌شوند، از CPUهای چندهسته‌ای با عملکرد بالا یا GPUها (واحدهای پردازش گرافیکی) استفاده می‌کنند که برای محاسبات سخت ریاضی و کارهای گرافیکی مناسب هستند.

المان هایی با عملکرد بالا : در یک کلاستر HPC شبکه، حافظه، ذخیره‌سازی و سیستم‌های فایل، اجزایی با سرعت بالا، بازدهی بالا و تاخیر پایین هستند که می‌توانند با گره‌ها هماهنگ شوند و قدرت محاسباتی و عملکرد کلاستر را بهینه کنند.

توزیع داده‌ها:  داده‌های موردنیاز برای پردازش بین گره‌ها طوری توزیع می‌شود که هر گره روی بخشی از داده‌ها کار می‌کند.

نظارت و کنترل: این کلاستر شامل ابزارهای نرم‌افزاری است که عملکرد گره‌ها را نظارت می‌کند و به کنترل توزیع وظایف و داده‌ها می‌پردازد. به این ترتیب، پردازش به‌طور کارآمد و موثری انجام خواهد شد.

خروجی: خروجی نهایی، نتیجه محاسبات ترکیبی است که توسط همه گره‌ها در کلاستر انجام می‌شود و خروجی به‌طور کلی در یک فایل بزرگ ذخیره میشود.

انواع کلاسترهای HPC

به طور کلی این کلاستر ها به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم بندی می‌شوند. در کلاسترهای همگن، همه اجزا عملکرد و پیکربندی مشابهی دارند و اغلب یکسان و قابل تعویض هستند. در کلاسترهای ناهمگن مجموعه‌ای از سخت‌افزارها با ویژگی‌های متفاوت (تعداد بالای هسته پردازنده، شتاب‌دهی GPU و…) وجود دارد و سیستم زمانی به بهترین شکل استفاده می‌شود که وظایفی به گره‌ها اختصاص داده شود که متناسب با مزایای منحصربه‌فرد هرکدام از آن‌ها باشد.

بررسی HPC در قالب رایانش ابری

در یک دهه اخیر، هزینه بالای HPC باعث شده است که بسیاری از سازمان‌ها امکان استفاده از این تکنولوژی را نداشته باشند. این هزینه‌ها معمولا شامل هزینه خرید یا اجاره یک سوپر کامپیوتر یا ایجاد و میزبانی یک کلاستر HPC در مرکز داده داخلی است.در حال حاضر، HPC در فضای ابری که با عنوان‌های HPC به‌عنوان سرویس (HPCaaS) نیز شناخته می‌شود، روشی سریع‌تر، مقیاس‌پذیرتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر برای برخی شرکت‌ها ارائه می‌دهد که از مزایای HPC بهره‌مند شوند.

مزایای HPC در قالب رایانش ابری

پس از آشنایی با اساس کاری HPC و شناخت انواع آن، در زیر به بررسی مزایای مربوط به استفاده آن به صورت ابری میپردازیم :

پیش پا افتاده ترین مزیت این تکنولوژی در قالب سرویس ابری، حذف هزینه های مربوط به خرید سرور، مصرف انرژی و حفظ و نگهداری آن است. از طرفی سرعت عملکرد بالا و تاخیر بسیار پایین، قابلیت دسترسی از راه دور، و تحمل خطا(عدم متوقف شدن فرایند پردازش در صورت از کار افتادن تعداد محدودی از گره ها) از مزایای مهم آن است.

مزایای استفاده HPC به صورت سازمانی

همانطور که گفته شد با توجه به حجم محاسبات و داده های مورد نظر و نوع فعالیت سازمان، استفاده از سرور های HPC به صورت اجاره ای یا خرید سرور، ممکن است. در این قسمت به برخی از مزایای خرید سرور می‌پردازیم :

● دسترسی دائم و قابل اعتماد

● پیکربندی به صورت مناسب و دلخواه

● امنیت بالای اطلاعات

● به صرفه بودن در صورت استفاده مداوم

کاربردهای HPC

از کاربرد های عمده HPC می‌توان به استفاده در هوش مصنوعی،یادگیری ماشینی و یادگیری عمیق اشاره کرد، همچنین مثال هایی از کاربردهای این تکنولوژی در زیر آورده شده است :

● خدمات درمانی و علوم زیستی : توالی‌سازی ژنوم ،کشف و طراحی دارو، تشخیص سریع سرطان و مدل‌سازی مولکولی.

● خدمات مالی: خودکارسازی معاملات، تشخیص تقلب و همچنین تقویت روش‌های تحلیل ریسک

● انرژی: پردازش داده‌های لرزه‌ای، مدل‌سازی و شبیه‌سازی مخزن، تجزیه و تحلیل مکانی، شبیه‌سازی باد و نقشه‌برداری زمین

جمع بندی

پردازش با عملکرد بالا، روشی محاسباتی است که در آن کلاستر های قدرتمند، برای انجام محاسبات و مسائل پیچیده به صورت موازی در کنار هم عمل می‌کنند، در این روش، داده ها به صورت تقسیم شده بین اجزاء شبکه (گره ها) قرار گرفته و توسط نرم افزار های خاص کنترل و پردازش می‌شوند.قابلیت استفاده از این تکنولوژی به دو صورت اجاره ی سرور و یا خرید سرور می‌باشد که استفاده از هر کدام با توجه به نوع و حجم کار سازمان، مزایای مختص خود را داراست.در دهه های اخیر به دلیل رشد روز افزون تکنولوژی و افزایش نیاز به حجم پردازش داده های بزرگ، شاهد افزایش چشمگیر استفاده از سرور های HPC هستیم، این تکنولوژی باعث پیشرفت چشمگیری در زمینه های مربوط به سیستم های فناوری اطلاعات، یادگیری ماشینی، هوش مصنوعی، صنایع نوین و حوزه های علمی تحقیقی شده است.