ابر کامپیوترها، هر روز بهتر از دیروز

ابر کامپیوتر

ابرکامپيوترها پيوسته در حال تغيير و‌تحول‌اند. حدود يک‌سال پيش يکی از قدرتمندترين ابرکامپيوترهای جهان از به‌هم پيوستن 1760 کنسول پلی‌استيشن 3 سونی پديد آمد. امروز نيز از سویی چينی‌ها در يکی از توليداتشان به نام Sunway BlueLight MPP پردازنده‌های ساخت خود را به‌کار گرفته‌ و در برابر اينتل و ای‌ام‌دی قدرت‌نمایی‌کرده‌اند و از سویی ديگر ابرکامپيوتری مبتنی بر پردازنده‌های موبايل در اسپانيا و ابرکامپيوتر ديگری با حافظه‌های فلش در امريکا قدم به ميدان گذاشته‌اند. در اين قسمت نگاهی خواهيم داشت به دو مورد اخير، که به سبب برخورداری از معماری خاص خود جالب توجه‌اند؛ نخست گوردن، ابرکامپيوتری که به‌طور کامل از حافظه فلش به عنوان منبع ذخيره‌سازی خود سود می‌برد و ديگری مرنوسترام که مرکز محاسبات خود را براساس پردازنده‌های موبايل استوار‌کرده‌است. در ادامه با مزيت‌های اين دو طرح بيشتر آشنا خواهيم شد؛ از جمله اين‌که ارمغان حافظه‌های فلش برای گوردن سرعت بالاتر دسترسی به داده‌ها است و يکی از نتايج استفاده از پردازنده‌های موبايل برای مرنوسترام سازگاری بيشتر آن با محيط زيست بوده است. مطلب حاضر برگرفته از دو گزارشي بوده که در ‌سايت وايرد به قلم مارتی گراهام و اريک اسمالی منتشر شده ‌است.

گوردن
نام آن Gordon Flash است، اما به Gordon مشهور است. اين دستاورد محاسباتی که هم‌اکنون در مرکز ابرکامپيوتر سن‌ديه‌گو يا به اختصار SDSC در ايالات متحده مشغول کار است، 1024 درايو سری 710 اينتل دارد که در کل فضایی برابر با 300 ترابايت را برای ذخيره‌سازی در اين کامپيوتر پديد آورده‌است. ابرکامپيوتر گوردن از نرم‌افزار ويژه‌ای بهره می‌برد تا بتواند منابع موجود در چندين سرور فيزيکی را يکپارچه با هم به‌کار گيرد. در چنين حالتی، گره‌ها يا سرورهای فيزيکی در يک گره اصلی به نام super-node به هم می‌پيوندند و از اين‌رو به جای آن‌که کاربران منتظر بمانند تا اين سامانه بزرگ به درايوهای خاصی دسترسی پيدا كند و داده مورد نظر آن‌ها را استخراج کند، می‌توانند به‌صورت بی‌درنگ به داده‌های مورد نظرشان دست پيدا كنند. الن اسناولی، يكي  از مديران SDSC اين مجموعه را بزرگ‌ترين حافظه بندانگشتی يا به اصطلاح فلش جهان می‌داند! با اين‌که اين حافظه‌ها امروزه در دستگاه‌های مختلفی از گوشی‌های موبايل گرفته تا دوربين‌های ديجيتال هم خودنمایی می‌کنند، اما اين براي نخستين‌بار است که در چنين مقياس بزرگی روی يک ابرکامپيوتر به‌کار گرفته می‌شود.

ابرکامپيوتر چينی Sunway BlueLight MPP که با توان محاسباتی حدود يک پتافلاپ در رده چهاردهم فهرست ماه نوامبر سال 2011 ميلادي Top500 قرار گرفته‌است

آن‌گونه که اسناولی می‌گويد: «گوردن به دليل بهره‌گيری از حافظه‌های فلش به جای ديسک‌های چرخان سنتی، می‌تواند پايگاه‌داده‌های بزرگ را تا ده برابر سريع‌تر پردازش کند و تا لحظه تهيه اين گزارش نيز در فهرست پانصد ابرکامپيوتر سريع جهان يا Top500، در جایگاه چهل‌وهشتم قرار گرفته‌است. چنين ايده‌ای را می‌توان دنباله تحول‌ جديدی دانست که طی آن تلاش می‌شود، اجزای سنتی ابرکامپيوترها با قطعه‌های مدرن‌تری جايگزين شوند تا علاوه بر اين‌که سرعت و کارایی آن‌ها افزايش مي‌يابد، هزينه ساخت‌شان هم کاهش پيدا کند.» ابرکامپيوتر سان‌وی چين را که در مقدمه اين مطلب به آن اشاره‌شد، می‌توان نمونه ديگری از همين حرکت به شمار آورد، حرکتی که باعث می‌شود، اين کشور کامپيوتری مستقل از فناوری دو شرکت بزرگ غربی عرضه کند.
نيکلاس اسکورک استاد و مدير بخش بيوانفورماتيک و بيواستاتيستيک انستيتوی پژوهشی Scripps و کسی که ده سال پيش موفق شد دقيق‌ترين نقشه ژ‌نوم انسان را تهيه کند، يکی از بزرگ‌ترين قابليت‌های گوردن را قدرت آن در رويارویی با داده‌ها عنوان می‌کند و به عنوان نمونه، توان آن در پردازش شش ميليارد توالی ژنوم انسانی را مطرح‌می‌کند که به ‌طور تقريبي به‌صورت بی‌درنگ انجام می‌شود. اين ابرکامپيوتر زمانی که در آغاز سال 2012 ميلادی کار خود را به‌طور رسمی آغاز کرد، دارای 16384 هسته محاسباتی و بيشينه کارایی آن به‌صورت تئوری 340 ترافلاپ در ثانيه بود؛ ضمن اين‌که سرعت خواندن و نوشتن حافظه‌های فلش آن دويست گيگابايت در ثانيه است.
گوردن با اعتبار بيست ميليون‌ دلار، طی يک دوره پنج‌ساله از سوی بنياد ملی علوم ايالات‌متحده پشتيبانی می‌شود. يک گروه کوچک نيز عهده‌دار انجام امور مربوط به اين ابرکامپيوتر است که از همکاری مارک سيگر، مدير ارشد فناوری اينتل در بخش چرخه ابرمحاسبات اين شرکت نيز بهره می‌برند. معماری گوردن حاصل طراحی شرکت ScaleMP است. در اين معماری يک ابرگره يا supernode وجود دارد که 32 سرور موجود در اين مجموعه و دو سرور ورودی/خروجی را در يک کش مجازی همگرا می‌کند و طبق گفته راب بنينگتون از بنياد ملی علوم امريکا، نتيجه چنين طرحی اين است که وظايف گوناگون بدون نياز به محاسبات سنگين قابل انجام است.
باب سينکوويتس، مدير برنامه‌های پروژه گوردن در SDSC هم با بيان اين‌که حافظه‌های‌فلش در مقايسه با هاردديسك چند مزيت دارند، می‌افزايد، پهنای باند بيشتر يا همان قابليت خواندن يا نوشتن بلوک‌های بزرگ‌تری از داده و همچنين نياز کمتر به برق و پايداری مکانيکی بيشتر که دليل آن استفاده از قطعه‌های متحرک‌کمتر است از جمله اين مزيت‌ها به شمار مي‌آيند. اما بزرگ‌ترين مزيت ابرکامپيوتری با حافظه فلش اين است که حين پردازش داده‌های سنگين، مدت زمان مکث بين دريافت درخواست داده‌‌ها و تحويل نخستين بايت‌ آن‌ها بسيار کمتر است.

در بارسلونا
يکی از موانع افزايش سرعت ابرکامپيوترهای امروزی مسئله انرژی است. به اين معنی که اگر بخواهيم سرعت اين کامپيوترها را با کمک فناوری‌های امروزی افزايش دهيم، نتيجه آن تا پايان دهه جاری ميلادی، ابرکامپيوترهایی خواهد بود که به اندازه يک شهربرق مصرف خواهند كرد. اما مرکز ابرمحاسبات بارسلونا با راهکار جديدی که در پيش گرفته اميدوار است با چنين چالشی روبه‌رو نشود. نکته جالب‌توجه در اين ابرکامپيوتر اسپانيایی که MareNostrum نام دارد، بهره‌بردن آن از تراشه‌های کم‌مصرفی است که در اسمارت‌فون‌ها و تبلت‌ها‌ی امروزی کاربرد دارند. اين مرکز ابرکامپيوتر خود را با همکاری NVIDIA و با بهره‌گيری از پردازنده‌های موبايل اين شرکت با نام Tegra که از معماری ARM بهره می‌برد، توسعه داده‌است. پردازنده‌های تگرا در واقع رقيبی برای پردازنده‌های x86 اينتل محسوب می‌شوند. پيش‌بينی می‌شود، با بهره‌گيری از معماری ARM و استفاده از پردازنده‌های کم‌مصرف نياز اين کامپيوتر به انرژی در مقايسه با کم‌مصرف‌ترين ابرکامپيوترهای امروزی، بين چهار تا ده برابر کمتر باشد.

ابرکامپيوتر Gordon Flash در رده چهل و هشتم سريع‌ترين‌های ماه نوامبر در فهرست Top500 (منبع عکس: Wired).

مرنوسترام از معماری ترکيبی بهره می‌برد و علاوه بر به‌کارگيری تراشه‌های تگرا از پردازنده‌های گرافيکی مبتنی بر معماری CUDA ساخت همين‌شرکت تايوانی نيز استفاده کرده‌است. پردازنده‌های گرافيکی که در سال‌های اخير توسط NVIDIA به بخش محاسبات سنگين هم راه يافته‌اند، گزينه مناسبی برای اين عرصه به شمار مي‌آيند. آن‌ها در رويارویی با محاسبات مميز شناور به‌خوبی عمل می‌کنند و به کارکرد دستگاه شتاب می‌بخشند. از جمله نشانه‌های استقبال از اين راهبرد اين است که 35 ابرکامپيوتر از ميان سريع‌ترين کامپيوترهای جهان در فهرست Top500 از اين تراشه‌ها بهره می‌برند. علاوه بر اين، سي دستگاه از سبزترين ابرکامپيوترهای جهان در فهرست کامپيوترهای سازگارتر با محيط زيست يا Green500 از تراشه‌های گرافيکی اين شرکت تايوانی استفاده می‌کنند.

MareNostrum در مرکز ابرمحاسبات بارسلونا که در فهرست سازگارترين ابرکامپيوترهای دنيا با محيط زيست يا Green500 ماه نوامبر، در رده هفتم قرار دارد (منبع عکس: مرکز ابرمحاسبات بارسلونا يا BSC).

استفاده از معماری ARM و تراشه‌های موبايل در مرنوسترام چندان هم ساده نبود. در واقع بايد محيط نرم‌افزاری جديدی؛ شامل ابزارهای توسعه جديد و برنامه‌های نو يا بازنويسی شده، طراحی می‌شد. با توجه به همين موضوع، NVIDIA نيز برای کسانی که تمايل داشتند ابرکامپيوترهای ترکيبی ARM-GPU را بسازند، يک بسته جديد توسعه نرم‌افزار طراحی کرده‌است. اين بسته شامل ابزارهای برنامه‌نويسی موازی و نيز برنامه‌نويسی برای پردازنده‌های Tegra 3‌ و پردازنده‌های گرافيکی يا GPU است. گفتنی است، ابرکامپيوتر بارسلونا تنها نمونه‌ای نيست که استفاده از پردازنده‌های کم‌مصرف را در مرکز توجه خود قرار داده‌ است؛ به‌ويژه اين‌که علاوه بر مراکز محاسبات سنگين، اپراتورهای مراکز داده نيز صرفه‌جویی در انرژی را بخشی از اولويت‌های خود می‌دانند. باتوجه به آنچه که گفته‌شد، سازندگان سرور نيز در حال بررسی پردازنده‌های ARM و نيز پردازنده‌های Atom اينتل هستند تا استفاده از آن‌ها را در محصولات خود، با جديت بيشتری دنبال کنند. اچ‌پی چندی پيش اعلام کرد، سروری را در دست ساخت دارد که در آن از تراشه‌های بسيار کم‌مصرف ARM ساخت شرکت Calxeda استفاده شده‌است. ساميت گوپتا از مديران NVIDIA می‌گويد: «خوشحال خواهد شد، اگر اچ‌پی و Calxeda در اين‌باره به موفقيت برسند، زيرا اين کار بازار ابرمحاسبات را برای همه ما بيش از پيش هموار خواهد کرد.»