آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور میزبان چندین ابررایانه از جمله سیرا (Sierra)، دومین ابررایانه سریع دنیا است. حال مایکل کان (Michael Kan) از وب‌ سایت PCMag به آنجا رفته تا ببینید چگونه این ابررایانه‌ها اموری مانند پیش‌بینی آب و هوا و یا حتی تست مجازی بمب‌های هسته‌ای را انجام می‌دهند. برای بررسی این مقاله در ادامه با وینفون همراه باشید.

از آنجایی که آمریکا و چین بر سر ساخت سریع‌ترین ابرریانه رقابت دارند، ممکن است به این فکر کنید که این ماشین‌های غول‌پیکر چه استفاده‌هایی دارند. یک ابررایانه از صدها هزار هسته پردازشی استفاده می‌کند و برای خنک‌سازی و نگهداری به یک ساختمان کامل نیاز دارد. البته لازم به ذکر نیست اما برای ساخت و نگهداری آن‌ها به میلیون‌ها دلار نیاز است. اما با وجود این چالش‌ها، ابررایانه‌های نسل جدید آمریکا و چین به زودی ساخته خواهند شد که طبق وعده‌ها، پنج برابر قدرتمند‌تر از ابررایانه‌های فعلی خواهند بود.

یک سیستم دسته‌بندی شده

حدود 1000 نفر در آزمایشگاه‌های ابرریانه به نگهداری و ایجاد برنامه‌هایی برای آن‌ها مشغول هستند

هنگام بازدید از سیرا شما متوجه دو کلمه “دسته‌بندی شده” و “داده‌های محدودشده محرمانه” که بر رو این ابررایانه هک شده‌اند، خواهید شد. این ابررایانه از 240 سرور که مشابه قفسه قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است. این هشدار‌ها به این علت استفاده شده‌است که از سیرا برای ذخیره اطلاعات مربوط به انبار هسته‌ای آمریکا و پردازش چگونگی استفاده از این سلاح‌ها در دنیای واقعی استفاده می‌شود.

ایالات متحده آخرین آزمایش تسلیحات هسته‌ای خود را در سال 1992 انجام داده است. از آن زمان به بعد، آمریکا از ابررایانه برای کمک به انجام آزمایش‌های مجازی استفاده می‌کند که سیرا نیز بخشی از این وظیفه را بر عهده دارد. کار ساخت این ابررایانه در سال گذشته به منظور کمک به دولت آمریکا در نظارت و آزمودن کارایی زرادخانه هسته‌ای کشور که نیاز به حفظ آن داشت، به پایان رسید. آدام برتش (Adam Bertsch)، مهندس ارشدِ محاسباتِ پیچیدهِ آزمایشگاه، می‌گوید:

تنها در یک صورت می‌توانید از یک بازدارنده استفاده کنید که بدانید می‌تواند کار کند و و رقیب شما هم می‌داند و معتقد است که آن کار می‌کند.

مثالی از شبیه‌سازهایی که در مرکز آزمایشگاه‌های این ابررایانه انجام شده است. در سمت چپ یک آزمایش تحقیقِ انرژیِ ترکیبی شامل گرمایش و فشرده کردن یک هدف سوختی با ۱۹۲ لیزر انجام شده است. سمت راست مربوط یک شبیه سازی مرتبط به هیدرودینامیک و فشار متقابل “سه نقطه‌ای” است.

جای تعجبی ندارد اگر شبیه‌سازی یک انفجار هسته‌ای به محاسبات ریاضی زیادی نیاز داشته باشد. اصول بنیادی علمی می‌توانند پیش‌بینی کنند که ذرات در شرایط مختلف چگونه با یکدیگر تعامل خواهند کرد. دولت آمریکا همچنین دارای اطلاعات جمع‌آوری‌شده از آزمایش‌های هسته‌ای واقعی طی چندین دهه است. دانشمندان این اطلاعات را برای ایجاد روابط، درون مدل‌های کامپیوتری با هم ترکیب کرده‌اند که می‌توانند محاسبه کنند که چگونه یک انفجار هسته‌ای در طول زمان تغییر خواهد کرد.

اساساً، شما سعی دارید یک واکنش زنجیره‌ای را برنامه‌ریزی کنید. بنابراین برای ایجاد مدل‌های دقیق،  مدل‌ها از پیش‌بینی انفجار هسته‌ای در سطوح ملکولی با استفاده از فیزیک جهان واقعی طراحی شده‌اند. چالشی اصلی این است که انجام این کارها نیاز به محاسبات عددی بسیار زیادی دارد.

وارد سیرا می‌شویم. این ابرراینه 190,000 هسته پردازنده مرکزی و 17,000  هسته پردازنده گرافیکی دارد. تمام این قدرت محاسبه به این معناست که سیرا می‌تواند پردازش سنگینی مانند شبیه‌سازی شکاف هسته‌ای را انجام دهد و آن را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم کند؛ سپس هر هسته می‌تواند یک بخش کوچک شبیه‌سازی را پردازش کرده و نتایج را به بقیه ماشین برساند. این فرآیند بارها و بارها تکرار خواهد شد چرا که ابررایانه سعی دارد یک انفجار هسته‌ای را از یک ثانیه به بعد مدل‌سازی کند. برتش در ادامه توضیح می‌دهد:

شما می‌توانید شبیه‌سازی کامل یک دستگاه هسته‌ای را در کامپیوتر انجام دهید و می‌توانید بفهمید که آن کار می‌کند، دقیقاً چطور کار می‌کند و چه نوع آثاری را به همراه خواهد داشت.

یک دستگاه تحقیقاتی

خوشه‌های کابل به تبادل داده‌ها در سیرا کمک می‌کنند. کابل‌های دیگر حاوی آب هستند تا سیستم را خنک نگه دارند.

توانایی ابررایانه‌ها برای محاسبه و مدل‌سازی تعاملات ذره، یکی از دلایل مهم شدن آن‌ها برای محققان است. در واقع، کنش و واکنش‌ها همواره در اطراف ما در حال رخ دادن هستند. این کنش و واکنش‌ها می‌تواند شامل شرایط آب و هوا، چگونگی شکل گیری یک ستاره و چگونگی ارتباط سلول‌های انسان با یک دارو باشند.

یک ابررایانه می‌تواند تمام این تعاملات را شبیه‌سازی کند. سپس دانشمندان می‌توانند از داده‌ها برای یادگیری بینش‌های مفیدی مانند، آیا فردا باران خواهد بارید، آیا یک تئوری جدید صحیح است یا آیا درمان سرطان در آینده ممکن است، استفاده کنند.

همین فن‌آوری‌ها می‌توانند به صنایع اجازه دهند تا طرح‌های جدید بیشماری را کشف کنند و تشخیص دهند که کدام یک از آن‌ها ارزش آزمایش در دنیای واقعی را دارند. به همین دلیل است که تقاضا‌های زیادی برای استفاده از ابررایانه این آزمایشگاه وجود دارد. برتش می‌گوید:

مهم نیست قدرت محاسبه ما چقدر است، مردم از آن استفاده می‌کنند و تقاضاها روز به روز بیش‌تر می‌شود

و این کاملا توضیح می‌دهد که چرا دولت آمریکا یک ابررایانه قدرتمندتر می‌خواهد. قدرت محاسبه بیش‌تر به دانشمندان اجازه می‌دهد تا شبیه‌سازی‌های پیشرفته ‌تری مانند کنش و واکنش‌های ذرات کوچک‌تر را توسعه دهند که این خود می‌تواند راه را برای پیشرفتِ تحقیقاتِ جدید هموارتر کند. همچنین گسترش این سیستم‌ها می‌تواند به کاهش زمان تکمیل پروژه‌های تحقیقاتی جاری منجر شود. برتش اضافه می‌کند که:

فرآیند‌هایی که قبلا به ماه‌ها برای تکمیل نیاز داشتند، ممکن است فقط طی چند ساعت انجام شوند.

یک محقق با یک رایانه که از لینوکس استفاده می‌کند به صورت آنلاین به ابررایانه متصل است. این “کار” می‌تواند به سادگی و تنها با استفاده از یک برنامه خطِ فرمان انجام شود.

سیرا بخشی از یک شبکه طبقه‌بندی‌ شده است که به اینترنت عمومی متصل نشده است و در حدود ۱۰۰۰ محقق تایید شده برای انجام برنامه‌های علمی وابسته از آن استفاده می‌کنند. حدود ۳۰۰۰ نفر با این ابررایانه بر روی پروژه‌های طبقه‌بندی نشده تحقیق می‌کنند که به صورت آنلاین قابل‌دسترسی هستند به شرطی که حساب کاربری و اعتبار ورود صحیح را داشته باشید. برتش می‌گوید:

همانطور که برای انجام کارهای خود نیاز به خرید رایانه دارید، هر مقدار هزینه‌ای که برای استفاده از ابرریانه هزینه کنید، به همان میزان می‌توانید از قدرت پردازشی آن استفاده کنید.

یک سیستم زمانبدی معین برای اطمینان از “سهم منصفانه” شما برای کار با ابررایانه در نظر گرفته شده است. برتش در این مورد توضیح می‌دهد:

این روش سعی دارد استفاده شما را به سمت درصدی که به شما اختصاص داده شده است، هدایت کند. اگر کم‌تر از سهم منصفانه خود استفاده کرده باشید، اولویت شما بالاتر می‌رود و نوبت شما برای استفاده از ابررایانه زوردتر فرا خواهد رسید.

شبیه‌سازی‌ها همیشه در حال اجرا هستند. یک ابررایانه می‌تواند هزاران کار را در هر زمان انجام دهد. همچنین یک ابررایانه می‌تواند مواردی که با نام Hero Run شناخته می‌شوند یا کارهایی که برای تکمیل آن‌ها به کل قدرت ابررایانه نیاز باشد را نیز انجام دهد.

همیشه فعال و در حال اجرا

بخش درونی ابررایانه سکویا (Sequoia). هر قفسه تقریبا مشابه یک سرور است.

سیرا یک ابررایانه است، اما این دستگاه تا حد زیادی از قطعات دیگر ساخته شده است. برای مثال، پرادزنده‌ها از تراشه‌های پرچمدار IBM و Nvidia هستند و سیستم عامل نیز توزیع Red Hat Enterprise لینوکس است که در بیش‌تر سرورها به کار می‌رود. رابین گلدستون (Robin Goldstone)، طراح نرم‌افزار محاسبه کارایی پیشرفته آزمایشگاه، می‌گوید:

در گذشته، ابررایانه‌ها بسیار بزرگ بودند و حجم بسیار زیادی را اشغال می‌کردند، اما این روز‌ها حتی بزرگترین سیستم‌ها اساسا دسته‌ای از سرورها هستند که به هم متصل شده‌اند.

برای به حداکثر رساندن استفاده از این سیستم‌ها، دستگاهی مثل سیرا باید قادر به انجام انواع مختلفی از تحقیقات باشد. بنابراین هدف آزمایشگاه ساخت یک دستگاه همه منظوره است. ولی حتی یک ابررایانه هم بی‌نقص نیست. آزمایشگاه تخمین می‌زند که هر 12 ساعت در سیرا خطای ناشی از نقص سخت‌افزاری اتفاق خواهد افتاد. این ممکن است شگفت انگیز به نظر برسد، اما به این فکر کنید که سیرا از 100,000 کامپیوتر تشکیل شده است؛ شکست‌ها و تعمیرات اجتناب‌ناپذیر هستند.

طبق صحبت‌های گلدستون، از جمله مشکلات رایج ابررایانه‌ها می‌توان به حافظه‌های DIMM، منبع تغذیه و فن‌ها اشاره کرد. خوشبختانه، سیرا بسیار بزرگ بوده و ظرفیت بسیار بالایی دارد. یک ابررایانه به طور منظم از فایل‌های حافظه نسخه پشتیبان می‌گیرد تا در شرایط بروز خطا بتواند از آن‌ها استفاده کند. گلدستون اضافه می‌کند:

ابررایانه شباهت‌های کوچکی با سیستم‌های خانگی دارند اما به طور کلی بسیار متفاوت هستند. گیمر‌ها را در نظر بگیرید، آن‌ها همیشه به دنبال سریع‌ترین حافظه و قدرتمندترین کارت گرافیک هستند، ما هم دقیقا بر روی همچنین مواردی وسواس داریم. چالشی که ما با آن مواجه هستیم این است که ما باید از تعداد بسیار زیادی از این قطعات که همگی با هم در حال کار هستن استفاده کنیم.

در زیر ابررایانه‌ها یک سیستم لوله‌کشی است که آب با درجه‌حرارت اتاق را برای خنک نگه داشتن ماشین‌ها می‌فرستد. سیرا 80 درصد توسط آب و فقط 20 درصد توسط هوا خنک می‌شود.

سیرا به تنهایی فضایی به اندازه 47,00 فوت را اشفال کرده است که پر از صدای فن‌هایی است که سخت‌افزار را خنک نگه می‌دارند. طبقه پایین این ابررایانه، سیستم لوله‌کشی قرار دارد. این سیستم هر دقیقه هزران گالن آب را به لوله‌ها می‌فرستد، این آب سپس برای خنک سازی وارد سرور‌های قفسه‌ای سیرا شده و سپس به لوله‌ها برگشته و یک چرخه را شکل می‌دهند.

در بخش منبع تغذیه، آزمایشگاه به منبع تغذیه‌های 45 مگاواتی مجهز شده است؛ این مقدار برای برق رسانی به یک شهر کوچک کافی می‌باشد. حدود 11 مگاوات صرفا صرف تغذیه سیرا می‌شود. با این حال، مصرف برق یک ابررایانه می‌تواند گاهی اوقات باعث شکایت شرکت‌های انرژی محلی شود. هنگامی که یک اپلیکیشن دچار خطا می‌شود، تقاضای انرژی سیستم به طور ناگهانی چندین مگاوات کاهش می‌یابد.

آینده‌ای درخشان‌تر

سال گذشته سکویا به عنوان ده‌مین ابررایانه سریع در جهان شناخته شد؛ اما به زودی با یک ابررایانه قدرتمندتر جایگزین خواهد شد.

آزمایشگاه ملی لارنس لیورنور همچنین میزبان ابررایانه دیگری به نام سکویا است. این ابررایانه در سال 2012 یکی از سریع‌ترین ابررایانه‌های دنیا بوده است. اما این آزمایشگا قصد دارد اواخر سال آن را بازنشسته کند و این کار را با یک ابررایانه بزرگ‌تر و بهتر به نام ال‌کاپیتان (El Capitan)  انجام می‌دهد که از ابررایانه‌های سریع و قوی‌تری است که توسط دولت ایالات متحده درحال برنامه ریزی هستند.

انتظار می‌رود این ابررایانه جدید تا سال 2023 آماده شود. البته ال‌کاپیتان تنها نیست و علاوه بر آن دوم ابررایانه قوی‌تر نیز هستند که ایالات متحده بیش از 1 میلیارد دلار برای ساخت آن‌ها هزینه کرده است. هر دو در سال 20221 و در آزمایشگاه‌های  جداگانه در ایلینویز و تنسی تکمیل خواهند شد. گلدستون در این باره می‌گوید:

به هرحال، گاهی به این فکر می‌کنم که آیا این ابررایانه‌ها به اندازه کافی سریع هستند؟ به ابررایانه‌هایی تا چقدر سریع‌تر واقعا نیاز داریم؟ اما این بیش‌تر در مورد توانایی حل سریع‌تر مشکلات و یا مطالعه مشکلات در سطحی بالاتر است.

اما در نهایت صنعت ابررایانه‌ها مانند هر صنعت دیگری نیاز به نوآوری دارد. قطعا ساخت یک ابررایانه قوی‌تر و جدیدتر که فضای بیش‌تری می‌گیرد و به انرژی بیش‌تری نیاز دارد، غیر قابل‌قبول است؛ بنابراین این محدودیت‌ها باید توسط تکنولوژی‌های جدیدتر رفع شود و باید در بخش‌های دیگر، فراتر از چیپست‌های محاسبه سنتی، پیشرفت حاصل شود تا به سطح بالاتر و بهتر برسد.

در این میان، این آزمایشگاه با شرکت‌های سخت‌افزاری مانند IBM و Nvidia برای حل مشکلات موجود و بهبود معماری ساختار شبکه ابررایانه کار می‌کند تا سرعت در میان خوشه‌های مختلف و همچنین ارتباط بین اجز را بهبود بخشد. دیگر سرعت پردازنده مانند قبل مهم نیست و علاوه‌بر افزایش سرعت پردازنده، باید به ویژگی‌های دیگری مانند پهنای باند حافظه هم توجه کرد.

این آزمایشگاه در آینده اطلاعات بیشتری از جایگزین سکویا یعنی ال‌کاپیتان منتشر خواهد کرد. به دلایل امنیتی آزمایشگاه قصد دارد تا هر قطعه از اجزایا سکویا را خرد کرده و بقایای باقیمانده را وارد چرخه‌ی بازیافت کند. ابرریانه‌ها حاوی اطلاعات طبقه‌بندی شده دولت هستند. پس حیاتی است که این اطلاعات به طور کامل پاکسازی شوند حتی اگر این به معنای اوراق و نابود کردن یک ابررایانه باشد. این ممکن است سخت‌گیرانه به نظر برسد، اما ممکن است خطاهایی حین تلاش برای پاک کردن اطلاعات از روی ابررایانه رخ بدهد، بنابراین آزمایشگاه باید به نحوی کاملا مطمئن شود که داده‌ها برای همیشه پاک شده‌اند.

نظر شما چیست؟ نظرات خود را در مورد ابررایانه‌ها با ما به اشتراک بگذارید.

منبع :

PCMAG

155 پست
امیر سلیمی
دانشجوی مهندسی مکانیک، علاقمند به تکنولوژی و بازی‌های ویدیویی، عاشق فیلم و سریال و کمیک
مطالب مرتبط
تبلیغات
در مای نوکیا بخوانید
دیدگاه کاربران
هنوز دیدگاهی ثبت نشده
برای نوشتن دیدگاه می توانید به حساب کاربری خود وارد شوید ورود ارسال نظر به صورت مهمان
برچسب ها: , , , , , , , ,