فرض کن یه دانشمند جاه‌طلب هستی که می‌خوای راز تشکیل جهان رو کشف کنی. برای حل این معادلات پیچیده، به یه قدرت محاسباتی فراتر از هر چیزی که تا حالا دیدی نیاز داری. یهو یه جرقه تو ذهنت می‌زنه: HPC یا همون پردازش فوق سریع!

با استفاده از ابررایانه‌های HPC، می‌تونی به دنیایی از قدرت محاسباتی دست پیدا کنی که قبلاً غیرقابل تصور بود. تصور کن ابررایانت مثل یه ابرقهرمان عمل می‌کنه که می‌تونه معادلات پیچیده رو با سرعتی باورنکردنی حل کنه، مدل‌های سه‌بعدی عظیم بسازه و شبیه‌سازی‌های دقیقی از پدیده‌های طبیعی انجام بده.

اما HPC فقط برای دانشمندان فضایی نیست! این فناوری قدرتمند می‌تونه به کارآفرینان، مهندسان و حتی آدم‌های معمولی کمک کنه تا مشکلات پیچیده رو حل کنن، نوآوری‌های جدیدی خلق کنن و به درک عمیق‌تری از دنیای اطرافشون برسن.

تو این مقاله، می‌خوایم به یه سفر هیجان‌انگیز تو دنیای HPC بریم و قدرت شگفت‌انگیز این ابررایانه‌ها رو کشف کنیم.

HPC چیست؟

محاسبات با کارایی بالا یا HPC یعنی استفاده از سوپرکامپیوترها و کلاسترهای کامپیوتری برای انجام محاسباتی که کامپیوترهای معمولی از پسش برنمیان. حالا، این یعنی چی؟ بیا تصور کنیم داری با یه کامپیوتر معمولی یه بازی سنگین رو اجرا می‌کنی. احتمالاً بعد از مدتی کامپیوترت داغ می‌کنه و شاید حتی هنگ کنه. حالا فرض کن یه تیم از کامپیوترها با هم کار کنن تا اون بازی رو بدون هیچ مشکلی اجرا کنن. این همون مفهوم HPC هست.

HPC از گروه‌های پردازنده‌های قدرتمند استفاده می‌کنه که به صورت همزمان کار می‌کنن تا بتونن داده‌های بزرگ و چندبعدی رو پردازش کنن و مشکلات پیچیده رو با سرعت خیلی بالا حل کنن.

HPC می‌تونه بعضی از پیچیده‌ترین مسائل محاسباتی امروز رو در زمان واقعی (real-time) حل کنه. این سیستم‌ها معمولاً با سرعتی بیش از یک میلیون برابر سریع‌تر از سریع‌ترین کامپیوترهای معمولی، لپ‌تاپ‌ها یا سرورها کار می‌کنن.

سوپرکامپیوترها، که کامپیوترهای ویژه‌ای با میلیون‌ها پردازنده یا هسته پردازشی هستن، از دهه‌ها پیش بخش مهمی از HPC بودن. این کامپیوترها خیلی سریع‌تر از مین‌فریم‌ها هستن و می‌تونن میلیاردها عملیات اعشاری رو در یک ثانیه انجام بدن.

سوپرکامپیوترها هنوزم وجود دارن؛ سریع‌ترینشون، یعنی Frontier در آمریکا، با سرعت پردازشی ۱.۲۰۶ اگزافلاپس، یا کوینتیلیون عملیات اعشاری در ثانیه کار می‌کنه. اما امروز، خیلی از سازمان‌ها دارن از خوشه‌های سرورهای کامپیوتری با سرعت بالا که در محل خودشون یا در فضای ابری میزبانی می‌شن، برای خدمات HPC استفاده می‌کنن.

تاریخچه HPC: از گذشته تا امروز

محاسبات با کارایی بالا از زمانی شروع شد که نیاز به پردازش‌های پیچیده بیشتر احساس شد. در ابتدا، این نیازها توسط کامپیوترهای بزرگ و گرون قیمت پاسخ داده می‌شد، اما با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی، سوپرکامپیوترها به وجود اومدن.

اولین سوپرکامپیوتر واقعی که ساخته شد، IBM Stretch بود که در دهه 1960 معرفی شد. اما شاید مشهورترین سوپرکامپیوتر در اون زمان، Cray-1 بود که در سال 1976 توسط Seymour Cray طراحی شد. این کامپیوتر می‌تونست محاسبات رو با سرعتی انجام بده که برای زمان خودش فوق‌العاده بود.

در دهه 1990، با ورود پردازنده‌های RISC و تکنولوژی‌های جدید، HPC یک جهش بزرگ کرد. این دوره، دوره‌ای بود که سوپرکامپیوترها نه تنها در مراکز تحقیقاتی بلکه در صنایع مختلف هم به کار گرفته شدند.

امروزه، HPC نه تنها در حوزه‌های علمی و تحقیقاتی، بلکه در صنایع مختلفی مثل خودرو، نفت و گاز، بهداشت و حتی سرگرمی هم به کار میره. از شبیه‌سازی‌های پیچیده علمی گرفته تا تحلیل داده‌های بزرگ، همه و همه به لطف HPC ممکن شده.

دلیل اهمیت HPC چیست؟

اول از همه، HPC به ما کمک می‌کنه تا مسائلی رو حل کنیم که با کامپیوترهای معمولی اصلاً امکان‌پذیر نیست. مثلاً وقتی که می‌خوایم مدل‌های پیچیده هواشناسی رو بررسی کنیم یا اینکه یک داروی جدید رو شبیه‌سازی کنیم، نیاز به محاسبات خیلی سریع داریم.

فرض کن یه مسابقه دو ماراتن داری و یکی از دوندگان یه دوچرخه سوپر سریع داره. خب قطعاً اون با دوچرخه خیلی سریع‌تر از بقیه دوندگان به خط پایان می‌رسه. HPC هم همینه، یه دوچرخه سوپر سریع برای محاسبات پیچیده!

یه چیز جالب دیگه اینه که HPC می‌تونه به کشف‌های جدید کمک کنه. مثلاً می‌تونه برای شبیه‌سازی و بررسی ژنوم انسان استفاده بشه و به پیدا کردن درمان‌های جدید برای بیماری‌ها کمک کنه.

HPC چطور کار می‌کند؟

سیستم‌های کامپیوتری استاندارد معمولاً مشکلات رو با استفاده از محاسبات سریال حل می‌کنن. یعنی کارها رو به ترتیب تقسیم می‌کنن و یکی بعد از دیگری روی همون پردازنده اجرا می‌کنن.

محاسبات موازی با مقیاس بزرگ

محاسبات موازی چندین کار رو به صورت همزمان روی تعداد زیادی سرور یا پردازنده انجام می‌ده. HPC از محاسبات موازی با مقیاس بزرگ استفاده می‌کنه، که شامل ده‌ها هزار تا میلیون‌ها پردازنده یا هسته پردازشی هست.

"محاسبات با کارایی بالا، فقط یک ابزار نیست، بلکه دریچه‌ای به آینده است."

خوشه‌های کامپیوتری (که بهشون HPC Clusters هم می‌گن)

یک خوشه HPC از چندین سرور کامپیوتری با سرعت بالا تشکیل شده که با یک برنامه‌ریز مرکزی شبکه شدن تا بار محاسبات موازی رو مدیریت کنه. این کامپیوترها که بهشون نود می‌گن، از CPUهای چند هسته‌ای با کارایی بالا یا از GPUها استفاده می‌کنن، که برای محاسبات ریاضیاتی سخت، مدل‌های یادگیری ماشین و کارهای گرافیکی مناسبه. یک خوشه HPC می‌تونه شامل 100,000 یا بیشتر نود باشه.

لینوکس رایج‌ترین سیستم عامل برای اجرای خوشه‌های HPC هست. بقیه سیستم عامل‌ها شامل ویندوز، اوبونتو و یونیکس هستن.

اجزای با کارایی بالا

توی خوشه‌های HPC، همه چیز با سرعت بالا طراحی شده. از شبکه و حافظه گرفته تا ذخیره‌سازی و سیستم‌های فایل، همه با سرعت بالا کار می‌کنن. این اجزا باید با نودها هماهنگ باشن تا بتونن بهترین عملکرد رو داشته باشن.

رابط پیام‌رسانی (MPI)

برای اینکه نودها بتونن با هم ارتباط برقرار کنن، از یه چیزی به اسم MPI (رابط پیام‌رسانی) استفاده می‌کنن. این مثل یه شبکه ارتباطی بین نودهاست که بهشون اجازه می‌ده داده‌ها رو به سرعت به همدیگه منتقل کنن.

کاربردهای HPC

محاسبات با کارایی بالا یا همون HPC، خیلی با هوش مصنوعی (AI) و مخصوصاً یادگیری ماشین (ML) و یادگیری عمیق (Deep Learning) گره خورده. امروزه بیشتر سیستم‌های HPC طوری طراحی شدن که برای این کارها بهینه باشن.

از تحلیل داده‌ها تا تحقیقات پیشرفته، HPC داره تو خیلی از صنایع نوآوری ایجاد می‌کنه:

بهداشت و درمان، ژنومیک و علوم زیستی

اولین تلاش برای توالی‌یابی ژنوم انسان ۱۳ سال طول کشید؛ اما الان سیستم‌های HPC می‌تونن این کار رو کمتر از یک روز انجام بدن. کاربردهای دیگه HPC تو بهداشت و علوم زیستی شامل مدیریت پرونده‌های پزشکی، کشف و طراحی دارو، تشخیص سریع سرطان و مدل‌سازی مولکولی می‌شه. HPC به دانشمندا کمک می‌کنه تا از شبیه‌سازی‌ها نتایجی بگیرن و داده‌ها رو سریع تحلیل کنن.

رسانه و سرگرمی

خوشه‌های HPC سرعت بالایی رو برای پخش زنده، رندر گرافیک‌های سه‌بعدی و جلوه‌های ویژه فراهم می‌کنن و هزینه‌ها و زمان تولید رو کاهش می‌دن. این تکنولوژی می‌تونه به شرکت‌های رسانه‌ای کمک کنه تا با تحلیل داده‌ها، محتوای بهتری ایجاد و توزیع کنن.

بانکداری و خدمات مالی

علاوه بر معاملات خودکار و تشخیص تقلب، HPC از شبیه‌سازی مونت کارلو و روش‌های دیگه تحلیل ریسک پشتیبانی می‌کنه.

دولت و دفاع

دو کاربرد بزرگ HPC تو این زمینه پیش‌بینی هوا و مدل‌سازی اقلیمه. این کارها نیاز به پردازش حجم زیادی از داده‌های تاریخی هواشناسی و میلیون‌ها تغییر روزانه در داده‌های اقلیمی داره. کاربردهای دیگه دولت و دفاع شامل تحقیقات انرژی و کارهای اطلاعاتی می‌شه.

انرژی

در مواردی که گاهی با دولت و دفاع همپوشانی دارن، کاربردهای HPC در حوزه انرژی شامل پردازش داده‌های لرزه‌ای، شبیه‌سازی و مدل‌سازی مخازن، تحلیل‌های جغرافیایی، شبیه‌سازی باد و نقشه‌برداری زمین می‌شه.

صنعت خودرو

صنعت خودرو از HPC برای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی طراحی محصولات و فرآیندها استفاده می‌کنه. مثلاً، HPC می‌تونه برنامه‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) رو اجرا کنه که چالش‌های مربوط به جریان‌های سیال رو تحلیل و حل می‌کنه. این شامل شبیه‌سازی آیرودینامیک برای کاهش کشش هوا و اصطکاک و شبیه‌سازی باتری برای بهینه‌سازی عملکرد و ایمنی باتری می‌شه.

امنیت سایبری

HPC می‌تونه حجم زیادی از داده‌ها رو تحلیل کنه تا الگوهایی رو شناسایی کنه که به پیشگیری از حملات سایبری یا تهدیدات امنیتی کمک می‌کنن.

مقایسه HPC و محاسبات کوانتومی

محاسبات با کارایی بالا (HPC) از بیت‌ها و پردازنده‌های معمولی که توی کامپیوترهای کلاسیک استفاده می‌شه، بهره می‌بره. در مقابل، محاسبات کوانتومی از تکنولوژی خاصی بر پایه مکانیک کوانتومی استفاده می‌کنه تا مسائل پیچیده رو حل کنه. الگوریتم‌های کوانتومی فضاهای محاسباتی چندبعدی ایجاد می‌کنن که برای حل مسائل پیچیده مثل شبیه‌سازی رفتار مولکول‌ها خیلی کارآمدتره. البته، انتظار نمی‌ره که محاسبات کوانتومی به این زودی‌ها جای HPC رو بگیره. بلکه این دو تکنولوژی می‌تونن با هم ترکیب بشن تا بهره‌وری و عملکرد بهتری داشته باشن.

HPC و محاسبات ابری (Cloud)

تا همین ده سال پیش، هزینه بالای HPC که شامل داشتن یا اجاره کردن یک سوپرکامپیوتر یا ساخت و میزبانی یک خوشه HPC در یک مرکز داده محلی بود، برای بیشتر سازمان‌ها دست نیافتنی بود.

اما امروز، HPC در ابر (Cloud)، که بعضی وقتا بهش HPC به‌عنوان خدمت یا HPCaaS هم می‌گن، یه راه سریع‌تر، قابل گسترش‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر برای شرکت‌ها فراهم می‌کنه تا از HPC استفاده کنن. HPCaaS معمولاً شامل دسترسی به خوشه‌های HPC و زیرساخت‌های میزبانی شده در مرکز داده یک ارائه‌دهنده خدمات ابری، قابلیت‌های شبکه (مثل هوش مصنوعی و تحلیل داده) و تخصص HPC هست.

چرا تقاضا برای HPC در حال افزایشه؟

امروزه، HPC بیش از هر زمان دیگری مورد توجه قرار گرفته چون نیاز به پردازش‌های سریع و دقیق در صنایع مختلف به شدت افزایش یافته. از تشخیص تقلب در کارت‌های اعتباری گرفته تا تحلیل داده‌های بزرگ برای هوش مصنوعی، HPC نقش مهمی در حل مسائل پیچیده و ارتقای نوآوری داره. حالا بریم ببینیم دقیقاً چرا تقاضا برای HPC اینقدر زیاد شده.

افزایش تقاضا

سازمان‌ها در همه صنایع به طور فزاینده‌ای به بینش‌های real-time و مزایای رقابتی که از استفاده از برنامه‌های HPC برای حل مسائل پیچیده به دست میاد، وابسته می‌شن. مثلاً، تشخیص تقلب در کارت اعتباری، چیزی که همه ما بهش اعتماد داریم و بیشترمون حداقل یه بار باهاش سروکار داشتیم، به طور فزاینده‌ای از HPC استفاده می‌کنه تا تقلب رو سریع‌تر شناسایی کنه و خطاهای تشخیص رو کاهش بده، حتی در حالی که فعالیت‌های تقلبی گسترش پیدا می‌کنن و تاکتیک‌های کلاه‌بردارا دائماً تغییر می‌کنه.

استفاده گسترده از هوش مصنوعی مولد

با معرفی تکنولوژی‌هایی مثل ChatGPT، سازمان‌ها سریعاً به وعده هوش مصنوعی مولد (gen AI) برای تسریع نوآوری و رشد پی بردن. این توسعه تقاضا برای محاسبات با کارایی بالا رو بیشتر کرده. HPC قدرت محاسباتی بالا و قابلیت گسترش لازم برای پشتیبانی از بارهای کاری بزرگ هوش مصنوعی رو فراهم می‌کنه. در گزارشی از Intersect 360 Research، بازار جهانی زیرساخت‌های محاسباتی قابل گسترش برای HPC و AI در سال ۲۰۲۳ به ۸۵.۷ میلیارد دلار رسید که نسبت به سال قبل ۶۲.۴٪ رشد داشت. این افزایش عمدتاً به خاطر تقریباً سه برابر شدن هزینه‌های شرکت‌های بزرگ برای زیرساخت‌های AI خودشون بود.

پیشرفت شبکه‌های RDMA و تأثیرشون بر HPC

دسترسی مستقیم حافظه از راه دور (RDMA) به یه کامپیوتر شبکه‌ای اجازه می‌ده تا به حافظه یه کامپیوتر شبکه‌ای دیگه دسترسی پیدا کنه بدون اینکه سیستم‌عامل هیچ‌کدوم از کامپیوترها درگیر بشه یا پردازش هیچ‌کدوم از کامپیوترها قطع بشه. این به کمینه‌کردن تأخیر و بیشینه‌کردن توان عملیاتی کمک می‌کنه و گلوگاه‌های پهنای باند حافظه رو کاهش می‌ده. شبکه‌های RDMA با کارایی بالا مثل InfiniBand، معماری رابط مجازی و RDMA روی اترنت همگرا، امکان HPC مبتنی بر ابر رو فراهم می‌کنه.

دسترسی به HPC از طریق ابرهای عمومی و خصوصی

امروز، هر ارائه‌دهنده اصلی خدمات ابری عمومی، از جمله Amazon Web Services (AWS)، Microsoft Azure، Google Cloud و IBM Cloud، خدمات HPC ارائه می‌کنن. در حالی که بعضی سازمان‌ها همچنان بارهای کاری HPC با تنظیمات بالا یا حساس رو در محل خودشون اجرا می‌کنن، خیلی‌ها دارن به خدمات HPC خصوصی ارائه شده توسط فروشندگان سخت‌افزار و راه‌حل‌ها مهاجرت می‌کنن یا از اونا استفاده می‌کنن.

مزایای استفاده از HPC در ابر

HPC در ابر به سازمان‌ها اجازه می‌ده تا از تعداد زیادی منابع محاسباتی برای حل مسائل پیچیده استفاده کنن و مزایای زیر رو فراهم می‌کنه:

• سریعاً بارهای کاری سنگین رو پیکربندی و اجرا کن.
• زمان رسیدن به نتایج رو با گسترش ظرفیت درخواستی کاهش بده.
• با استفاده از تکنولوژی برای نیازهای خودت هزینه‌ها رو بهینه کن و فقط برای قدرت محاسباتی که استفاده می‌کنی، پول بده.
• از ابزارهای مدیریت و پشتیبانی ارائه‌دهنده خدمات ابری استفاده کن تا بارهای کاری خاص HPC خودت رو طراحی کنی.

سوالات متداول

1. HPC چیست؟

HPC مخفف High-Performance Computing هست که به معنی محاسبات با کارایی بالاست. این تکنولوژی از سوپرکامپیوترها و کلاسترهای کامپیوتری برای انجام محاسبات پیچیده استفاده می‌کنه.

2. HPC چه کاربردهایی داره؟

HPC در حوزه‌های علمی و تحقیقاتی، صنایع، بهداشت و پزشکی و حتی سرگرمی کاربرد داره.

3. مزایای HPC چیست؟

از مزایای HPC می‌توان به سرعت و کارایی بالا، دقت بیشتر و امکان نوآوری‌های جدید اشاره کرد.

4. چه نرم‌افزارهایی برای HPC وجود داره؟

برخی از نرم‌افزارهای معروف در زمینه HPC عبارتند از: MPI، OpenMP و CUDA.

5. تفاوت HPC با Cloud Computing چیه؟

در HPC از سوپرکامپیوترها و کلاسترهای کامپیوتری استفاده میشه، اما در Cloud Computing منابع محاسباتی از طریق اینترنت در دسترس قرار می‌گیرند.

6. آیا HPC فقط برای محاسبات علمی است؟

خیر، HPC در صنایع مختلفی مثل خودرو، نفت و گاز، بهداشت و حتی سرگرمی هم استفاده میشه.

7. چه شرکت‌هایی از HPC استفاده می‌کنند؟

بسیاری از شرکت‌های بزرگ مثل IBM، Google و Amazon از HPC برای بهینه‌سازی فرآیندها و افزایش بهره‌وری استفاده می‌کنند.

8. آیا HPC در ایران هم کاربرد داره؟

بله، در ایران هم HPC در مراکز تحقیقاتی و دانشگاه‌ها استفاده میشه.

9. آیا HPC هزینه بالایی داره؟

بله، ساخت و نگهداری سوپرکامپیوترها هزینه‌بر هست، اما با پیشرفت تکنولوژی این هزینه‌ها در حال کاهش هستن.

جمع‌بندی

محاسبات با کارایی بالا یا HPC، یکی از مهم‌ترین و پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌های محاسباتی امروز هست که به ما اجازه می‌ده تا محاسبات پیچیده و بزرگ رو با سرعت و دقت بالا انجام بدیم. از شبیه‌سازی‌های علمی گرفته تا تحلیل داده‌های بزرگ، HPC همه جا حضور داره و به ما کمک می‌کنه تا به مرزهای جدیدی از علم و فناوری دست پیدا کنیم.

در نهایت، می‌شه گفت که HPC نه تنها یک ابزار قدرتمند برای محاسبات پیچیده‌ست، بلکه یک پل به آینده‌ی نوآوری‌ها و کشفیات جدید هست. پس اگر به دنبال راهی برای پیشرفت و بهره‌وری بیشتر در زمینه‌های مختلف هستید، HPC می‌تونه یک انتخاب عالی باشه.