ابر کامپيوتر هاابر رايانه 

ابر رايانه وسيله اي براي تبديل مسايل محاسبه اي به مسايل ورودي و خروجي است. 

کن باچر (Ken Batcher) 

ابر رايانه رايانه اي است که در زمان معرفي از نظر ظرفيت پردازش و به خصوص سرعت محاسبه ازديگر ماشين ها قوي تر باشد. اولين ابر رايانه ها در دهه ي 1960به طور عمده در موسسه اطلاعات کنترل (CDC) توسط سيمور کري«Seymour Cray» طراحي شد. کري تا دهه ي 1970 زماني که براي تاسيس شرکت خود پژوهشکده کري, از آن جدا شد آنرا هدايت مي کرد. کري بعدها با طرح هاي جديد خود بازار ابر رايانه را در دست گرفت و تا 25 سال (1965 1990) بي رقيب ماند. در دهه ي 1980به موازات توليد يک دهه قبل تر کامپيوتر کوچک هاشمار زيادي از رقيبان کوچکتر وارد بازار شدند اما بسياري از آنها در" رکود بازار ابر رايانه ها" ي اواسط دهه ي 1990 ناپديد شدند. امروزه ابر رايانه ها طرح هاي يک بار توليد شونده هستند که توسط شرکت هاي "سنتي" مانند IBM و HP طراحي مي شوند. اين شرکت ها بسياري از شرکت هاي دهه ي 1980 را براي استفاده از تجاربشان خريداري کردند، هر چند در طراحي ابر رايانه ها موسسه ي کري متخصص تر است .

معناي کلمه ي ابر رايانه تا حدي متغير است , و ابر رايانه هاي امروزي فردا ديگر کاربردي نخواهند داشت، همانگونه که از کولاسوس (Colossus)،‌ (اولين رايانه ي الکترونيکي برنامه دار رقمي دنيا، که طي جنگ جهاني دوم رمز هاي آلماني ها را مي شکست) پيدا است. ماشين هاي اوليه ي سي دي سي (CDC) صرفاً پردازنده هاي منفرد پر سرعتي بودند که تا ده برابر سريع تر از سريع ترين ماشين هايي که توسط ديگر شرکت ها معرفي شده بودند کار مي کردند. در دهه ي 1970 بيشتر ابر رايانه ها براي استفاده از پردازنده ي برداري طراحي مي شدند و بسياري از بازيگر هاي تازه کار براي ورود به بازار پردازنده هايي از اين نوع را با قيمت ارزان تر عرضه مي کردند. در دهه هاي 1980و 1990 پردازنده هاي برداري جاي خود را به سيستم هاي پردازش موازي فشرده با هزاران سي پي يو (CPU) ساده اي داد که برخي از آنها واحد هاي غير مرسوم و برخي طرح هاي متداول و سنتي بودند. امروزه طرح هاي موازي بر پايه ي ريز پردازنده هاي RISC " غير مرسوم" مانند PowerPC يا PA_RISC قرار دارند.

--------------------------------------------------------------------------------

ابزار هاي نرم افزاري

ابزار هاي نرم افزار ي پردازش توزيعي، API هاي استاندارد از جمله MPI و PVM و راه حل هاي نرم افزاري متکي بر منبع باز مانند Beowulf و openMosix، که کار ساخت نوعي از " ابر رايانه هاي مجازي" با استفاده از مجموعه هاي ايستگاه کار ها و خدمتگذار هاي عادي را تسهيل بخشيد، را شامل مي شود. فن آوري هايي مانند Rendezvous راه توليد خوشه هاي رايانه هاي ويژه را هموار ساخت. يک نمونه، تابع تفسير توزيعي در برنامه کاربردي ترکيبيApple's Shake ست. رايانه هايي که از نرم افزار Shake استفاده مي کنند کافي است فقط در شبکه در مجاورت يک ديگر باشند تا به طور خود کار منابع همديگر را پيدا و مورد استفاده قرار دهند. در حالي که هنوز هيچ کس خوشه رايانه ي ويژه اي اي بهتر از ابر رايانه هاي سال گذشته نساخته است فاصله ي بين رايانه هاي روميزي، يا حتي لپ تاپ ها و ابر رايانه ها در حال ناپديد شدن است و اين احتمال وجود دارد که اين روند با افزايش پشتيباني توکار براي همساني(parallelism) و پردازش توزيعي در سيستم عامل هاي رايانه هاي روميزي تداوم يابد. يک زبان برنامه نويسي آسان براي ابر رايانه ها مبحث تحقيقاتي باز و وسيعي را در علم رايانه به جا ي مي گذارد .

--------------------------------------------------------------------------------

کاربرد ها

ابر رايانه ها براي کارهايي که به محاسبات زياد و دقيق نيازمند است به کار مي رود از جمله: پيش بيني وضع هوا , تحقيقات آب و هوايي ( که شامل گرم شدن جهاني مي شود)، نمونه سازي مولکولي (محاسبه ي ساختار ها و خصوصيات ترکيب هاي شيميايي، درشت مولکول هاي زيستي، بسپار ها, و بلور ها، شبيه سازي هاي فيزيکي ( مانند شبيه سازي هوا پيما در تونل باد، شبيه سازي انفجار جنگ افزار هاي هسته اي و تحقيقات در مورد جوش هسته اي )، رمز گشايي و مانند آن. موسسه هاي نظامي و علمي از بزرگترين مشتري ها مي باشند.

--------------------------------------------------------------------------------

طراحي

ابر رايانه ها به دليل به کار گيري طرح هاي ابتکاري و جديد با سرعتي بيشتر از رايانه هاي متداول کار مي کنند. اين طرح ها ان ها را قادر مي سازد بسياري کارها را با وجود نياز به برسي فني جزييات بغرنج به صورت موازي انجام دهند.ان ها بيشتر براي انجام گونه هاي خاصي از محاسبات تخصص دارند و در برابر بيشتر کارهاي محاسباتي عادي عملکرد ضعيفي از خود نشان مي دهند. سازمان دهي حافظه اين رايانه ها به دقت تنظيم شده است تا در تمام زمان ها پردازنده با داده ها و دستور العمل ها تغذيه شود. در واقع, بيشتر تفاوت پياده سازي بين رايانه هاي کند تر و ابر رايانه ها به خاطر طرح سازمان دهي حافظه و ترکيب بندي اجزا است .

قانون Amdahl براي تمام سيستم هاي موازي صادق است. ابر رايانه ها تلاش زيادي را براي حذف توالي نرم افزاري اعمال کرده و براي شتاب دادن به تنگنا هاي (bottlenecks) باقي مانده از سخت افزار بهره مي گيرند.

--------------------------------------------------------------------------------

چالش هاي ابر رايانه و فن آوري ها

يک ابر رايانه توليد گرما مي کند و بايد خنک شود. خنک سازي بيشتر ابر رايانه ها يک مشکل HVAC بزرگ است .

اطلاعات نمي تواند با سرعتي بيشر از سرعت نور بين دو جز يک ابر رايانه جا به جا شود. به همين دليل، ابر رايانه هايي که چندين متر طول دارند بايد داراي زمان پاسخگويي دست کم يک دهم نانو ثانيه باشد. به اين خاطر در طرح ابر رايانه ي کري ساخت سيمور کري از کابل هاي کوتاه ا ستفاده شده بود.

ابر رايانه ها مقادير زيادي داده را در مدت زمان کوتاهي مصرف و توليد مي کنند. براي اطمينان از اين که اطلاعات به سرعت منتقل و به درستي ذخيره و باز يابي مي شود به کاري بيشتر نياز است .

فن آوري هايي که براي ابر رايانه ها شکل گرفته اند عبارتند از:

•پردازش برداري 

•خنک سازي به کمک مايع 

•دسترسي به حافظه نا يکنواخت(NUMA) 

•لوح هاي شياري ( که اولين نمونه ي ان بعد ها RAID نام گرفت) 

•سيستم فايل موازي

--------------------------------------------------------------------------------

تکنيک هاي پردازش

تکنيک هاي پردازش برداري اول بار براي ابر رايانه ها توسعه يافت و همچنان در برنامه هاي کاربردي با کارايي بالامتخصص مورد استفاده قرار مي گيرد . تکنيک هاي پردازش برداري به بازار مجتمع در معماريDSP ودستورهاي پردازش SIMD براي رايانه هاي همه منظور تحليل يافته است .

--------------------------------------------------------------------------------

سيتم عامل

سيستم عامل آنها، که اغلب نسخه اي از لينوکس است، با سيستم عامل هاي ديگر ماشين هاي کوچکتر تفاوتي ندارند. به هر حال از آنجا که توسعه دهندگان سيستم هاي عامل منابع برنامه نويسي را محدود کرده اند رابط کاربري ان ها ضعيف تر است. و از اين واقعيت منتج مي شود که وقتي اين رايانه ها که اغلب قيمتي برابر با صد ها هزار دلار دارند به بازار هاي خيلي کوچک فروخته مي شوند بودجه ي R&D آنها اغلب محدود مي شود. به طرز جذابي اين روندي مداوم در صنعت رايانه بوده است.

--------------------------------------------------------------------------------

برنامه نويسي

معماري موازي ابر رايانه ها اغلب استفاده از تکنيک هاي برنامه نويسي خاصي را براي به کار گيري سرعت شان تحميل مي کند .کمپايلر هاي فرترن تک منظوره سريعتر از کمپايلر هاي زبان برنامه نويسي C و زبان برنامه نويسي++C کد توليد مي کنند بنا بر اين فرترن زبان انتخابي برنامه نويسي علمي و بنابر اين زبان بيشتر برنامه هايي که در ابر رايانه ها پياده مي شود است. براي بهره گيري از موازي بودن ابر رايانه ها، در خوشه هاي با اتصال شل از PVM و MPI ودر ماشين هاي با حافظه مشترک و هماهنگ از OpenMP استفاده مي شود .

--------------------------------------------------------------------------------

انواع ابر رايانه هاي همه کاره

سه دسته ي اصلي از ابر رايانه هاي همه کاره وجود دارد:

ماشين هاي مبتني بر پردازش موازي عمليات هاي محاسباتي مشترک را در آن واحد بر حجم زيادي از داده انجام شود.

رايانه هاي خوشه اي با کابل کشي کوتاه براي پشتيباني از تعداد زيادي پردازنده و براي اين که حافظه ي آنها بتواند با هم در ارتباط باشد از رابط هاي مخصوص استفاده مي کنند . پردازنده ها و وسايل کابل کشي از ابتدا براي ابر رايانه ها طراحي مي شوند.سريعترين ابر رايانه هاي همه کاره دنيا از اين فن آوري استفاده مي کنند.

خوشه هاي commodity از تعداد زيادي پي سي هاي commodity که با شبکه هاي محلي با پهناي باند زياد و سرعت عکس العمل کم به هم مرتبطند استفاده مي کنند.

در سال 2002 قانون مور (Moore) و اقتصاد مقياس عامل هاي غالب در طراحي ابر رايانه ها است: در حال حاضر يک رايانه رو ميزي جديد از يک ابر رايانه ي 15 ساله قدرتمند تر است، و دست کم برخي از ترفند هاي طراحي که باعث مي شد ابر رايانه هاي پيشين بهتر از ماشين هاي روميزي کنوني کار کنند درون يک commodity pc's جا داده شده اند .از اين گذشته , هزينه ي توسعه و توليد تراشه ها باعث مي شد تا طراحي تراشه هاي سنتي براي يک اجراي کوتاه عملا غير اقتصادي شده وتراشه هاي توليد انبوه که با داشتن تقاضا هاي کافي از عهده ي هزينه ي توليد خود بر مي آمدند جاي آنها را بگيرند . 

علاوه بر اين، بسياري از مسايلي که توسط ابر رايانه ها انجام مي شد به طور ويژه براي موازي سازي ( در اصل، تبديل کردن به بخش هاي ريز تر براي اين که بتوان در ان واحد بر روي ان ها کار کرد) و به خصوص، موازي سازي نسبتاً زمخت (coarse-grained parallelization) که مقدار اطلاعات مورد نياز براي انتقال بين واحد هاي پردازش مستقل از هم را محدود مي کند، مناسب است. به همين دليل براي بسياري از کار ها مي توان " خوشه هاي" رايانه اي با طرح استاندارد که قابل برنامه نويسي براي کار به صورت يک رايانه ي بزرگ هستند را جايگزين ابر رايانه هاي سنتي و متداول کرد. بسياري از اين ها از سيستم عامل لينوکس استفاده مي کنند، به آنها خوشه هاي Beowulf گفته مي شود.

در ابتداي سال 2003 ، ابر رايانه هاي شماره ي 3 دنيا خوشه اي از commodity است و تحت سيستم عامل لينوکس و با سخت افزار اينتل x86 کار مي کند. به هر حال انتظار مي رود شماري از پروژه هاي خوشه ي commodity که تحت لينوکس و با CPU هاي AMD x86-64 عمل مي کنند با سرعت بالاتري کار کنند. اگر اين روند تداوم يابد احتمالا لينوکس سيستم عامل استاندارد de facto ابر رايانه ها خواهد شد.

در انتهاي سال 2003 ابر رايانه هاي شماره ي 3 دنيا خوشه اي متفاوت بود، VirginiaTech System X که با Mac OS X بر خوشه اي از سيستم هاي 1,100 G5 کار مي کرد.

--------------------------------------------------------------------------------

ابر رايانه هاي تک منظوره

ابر رايانه هاي تک منظوره ابزار هاي محاسبه ي به کارايي بالا هستند که معماري ان ها براي يک کار خاص طراحي شده است. اين باعث مي شود بتوان از تراشه هاي به طور خاص برنامه نويسي شده ي FPGA و يا حتي تراشه هاي VLSI سنتي استفاده و با قرباني کردن عموميت، نسبت کار ايي/قيمت بالاتري توليد کرد. از اين ابر رايانه ها براي برنامه هاي کاربردي مانند محاسبه هاي فيزيک فضايي و کد شکني brute-force استفاده مي شود.

چند نمونه از ابر رايانه هاي تک منظوره عبارتند از:

•Deep Blue براي بازي شطرنج 

•محاسبه قابل پيکر بندي 

•GRAPE براي فيزيک فضايي

--------------------------------------------------------------------------------

سريعترين ابر رايانه هاي امروزي

سرعت يک رايانه عموماً با فلاپ (عمليات هاي اعشاري در هر ثانيه) اندازه گيري مي شود .اين اندازه گيري هزينه سربار ارتباطات را ناديده گرفته و فرض مي کند که تمام پردازنده ها ي ماشين به داده ها دسترسي وبا تمام سرعت کار مي کنند.بنابر اين به عنوان يک استاندارد متري ايده ال نيست ولي به هر حال به طور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد .

در 29 سبتامبر سال 2004م سريعترين ابر رايانه ها نمونه اوليه Blue Gene/L با 16.250پردازنده ساخت IBM مي باشد. اين ابر رايانه مي تواند با سرعت 01/36 ترا فلاپ کار کند. نمونه اوليه Blue Gene/L نسخه ي سفارشي شده ي معماري PowerPc شرکت اي بي ام (IBM) است. اين نمونه اوليه فعلاً در Rochester شرکت اي بي ام، نيو يورک فاسيليتي است اما نسخه هاي توليد در سايت هاي مختلف از جمله آزمايشگاه ملي لارنس ليور مور (LLNL) مهيا خواهد شد. قبل از Blue Gene/ L سريعترين ابر رايانه شبيه ساز زمين در موسسه علوم زمين يوکوماها ژاپن بود. اين ابر رايانه کلاستري از 640 رايانه ي 8- پردازنده اي متعارف و برداري مبتني بر معماري NEC SX-6 (با مجموع 5120 پردازنده) بود و از يکي از نسخه هاي سفارشي شده يسيستم عامل يونيکس استفاده مي کرد.