توسط : منظور از کلاستر HPC، مجموعهای از کامپیوترها است که همانند یک زنجیر به هم متصلند. این کامپیوترها به‌طور هماهنگ و متحد با یکدیگر کار می‌کنند تا از دل سرسخت‌ترین محاسبات علمی پیروز خارج شوند.
میتوان ادعا کرد که موفقیت‌های امروز علمی در عرصه شبیه‌سازی‌ها، الگوریتم‌ها، هوش مصنوعی، پیش‌بینی هوا و… به دلیل وجود همین خوشه‌های HPC است. در ادامه با ویژگی‌ها، کاربردها و مزایای آن آشنا می‌شویم:
فهرصت مطالب
- کلاستر HPC چیست؟
- اجزای یک کلاستر HPC کدامند؟
- ویژگی‌های کلاستر HPC چیست؟
- کاربردهای کلاستر HPC چیست؟
- معرفی انواع خوشه‌های HPC
کلاستر HPC چیست؟
HPC شکل خلاصه شده عبارت High Performance Computing، به معنای محاسبات با کارایی بالاست. در این فناوری گروهی از رایانه‌ها به هم می‌پیوندند تا به صورت یکپارچه و متحد با یکدیگر کار کنند. در نتیجه این اتحاد، پیچیده‌ترین پردازش‌ها در کمترین زمان ممکن انجام می‌شوند.
از دیگر نام‌های HPC در ایران میتوان به پردازش سریع، محاسبات سنگین، سرور رایانشی، سوپر کامپیوتر و… اشاره کرد که البته بعضی از این نام گذاری‌ها غلط هستند. به عنوان مثال سوپر کامپیوتر یا اَبَر کامپیوتر یک سیستم فوق قدرتمند و منفرد است که قیمت بسیار بالایی نیز دارد.
اما یک کلاستر HPC را میتوان با هزینه‌های کمتر به وجود آورد. به عنوان مثال در یک سازمان میتوان از طریق اتصال چندین رایانه و سرور موجود، یک کلاستر به وجود آورد. کافیست یک فضای ایمن و استاندارد را به اجزای مختلف HPC اختصاص داد. اینگونه میتوان منابع را مدیریت و از اتلاف آنها جلوگیری کرد.
به طور کلی کار تیمی کامپیوترها در کلاسترهای HPC برای دنیای مبتنی بر داده امروز، بسیار مفید است. زیرا قدرت محاسباتی مورد نیاز برای کارهای پیچیده در زمینه‌های مختلف علمی، صنعتی و تجاری را فراهم می‌کنند.
اجزای یک کلاستر HPC کدامند؟
خواندیم که HPC گروهی از رایانه‌های به هم پیوسته است که با هم کار می‌کنند تا وظایف محاسباتی پیچیده را با سرعت بالا انجام دهند. در ادامه اجزا و مفاهیم کلیدی مرتبط با خوشه HPC آمده است:
گره‌ها:
به هر کدام از کامپیوترهای موجود درون یک خوشه گره یا Node می‌گویند. هر گره می‌تواند شامل چندین CPU (واحد پردازش مرکزی) یا GPU (واحد پردازش گرافیکی) باشد. معمولا یکی از گره‌ها به عنوان سرگروه، مسئول زمان بندی وظایف، تخصیص منابع و نظارت بر سلامت عملکرد است و برخی نیز مسئول ذخیره‌سازی و مدیریت داده‌ها هستند.
شبکه:
اتصالات کلاستر از طریق شبکه پرسرعتی انجام میشود که گره‌ها را به هم متصل می‌کند. این شبکه امکان انتقال و ارتباط سریع داده‌ها را میان گره‌ها فراهم می‌کند. فناوری‌هایی مانند InfiniBand، Ethernet و راه‌حل‌های اختصاصی، حداقل تأخیر و حداکثر توان عملیاتی را تضمین می‌کنند.
محاسبات موازی:
یکی از مفاهیم مهم و کلیدی در دنیای HPC، قدرت پردازش موازی آن است. اجماع سرورها باعث ایجاد قدرت زیادی در خوشه‌ها شده است. به همین دلیل نیز می‌توانند پردازش‌های زیادی را به طور همزمان پیش ببرند. منظور از پردازش موازی تقسیم مشکلات بزرگ به وظایف کوچکتر و حل همزمان و سریع آنها است.
Job Scheduling:
نرم افزار زمانبندی کار (Job Scheduling) به مدیریت توزیع و اجرای وظایف در کلسترها می‌پردازد. برخی از نرم‌افزارهای زمانبندی کار محبوب عبارت از Slurm، PBS و Grid Engine هستند. این ابزارها استفاده کارآمد از منابع خوشه را با صف‌بندی وظایف و تخصیص آنها به گره‌های محاسباتی موجود تضمین می‌کنند.
میان‌افزار و کتابخانه‌ها:
میان‌افزار و کتابخانه‌ها باعث ایجاد ارتباطات، تبادل داده‌ها و مدیریت وظایف میان گره‌ها می‌شوند. از جمله معروف‌ترین آنها میتوان به MPI (Message Passing Interface) و OpenMP اشاره کرد. این دو کتابخانه‌های پرکاربردی هستند که از محاسبات موازی و مدیریت کارآمد داده‌ها پشتیبانی می‌کنند.
ویژگی‌های کلاستر HPC چیست؟
خوشه‌های HPC به محققان و سازمان‌ها اجازه می‌دهد که وظایف محاسباتی فشرده را سریعتر و کارآمدتر از سیستم‌های تک رایانه‌ای سنتی انجام دهند. در ادامه با ویژگی‌ها و مزایای خوشه‌های HPC آشنا خواهیم شد:
سرعت:
به دلیل وجود پردازش موازی، خوشه‌های HPC می‌توانند وظایف را بسیار سریعتر از رایانه‌های معمولی انجام دهند. به عنوان مثال، آنها می‌توانند اثرات یک داروی جدید را بر روی بدن انسان به جای چند ماه در چند روز شبیه‌سازی کنند.
مقیاس پذیری:
میتوان گره‌های بیشتری را به یک خوشه HPC اضافه کرد و قدرت آن را افزایش داد. درست مانند اضافه کردن کارگران بیشتر به یک کارخانه که سرعت تولید را افزایش می‌دهند.
کارایی:
خوشه‌های HPC با کار همزمان بر روی بخش‌های مختلف یک مشکل، بهترین استفاده را از منابع خود می‌کنند و در زمان و انرژی صرفه‌جویی می‌کنند.
مقرون به صرفه بودن:
ایجاد خوشه‌های HPC برای بسیاری از کاربردها نسبت به خرید ابررایانه‌ها مقرون به صرفه‌تر است. همچنین معمولا سطح عملکرد بهتری را نسبت به هزینه کمترشان ارائه می‌دهند.
کاربردهای کلاستر HPC چیست؟
خوشه‌های HPC مهارت زیادی در حل مسائل پیچیده محاسباتی با بالاترین سرعت و کیفیت دارند. به همین دلیل نیز در پشت صحنه موفقیت‌های علمی در شبیه‌سازی‌ها، مدل‌سازی، تحقیقات آب و هوا، بیوانفورماتیک و… نقش مهمی دارد:
تحقیقات علمی:
نقش خوشه‌های HPC در شبیه‌سازی، مدل‌سازی و تجزیه و تحلیل مجموعه داده‌های موجود در علوم فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و… بسیار مهم است.
خدمات مالی:
بانک‌ها و مؤسسات مالی از خوشه‌های HPC برای تجزیه و تحلیل روندهای بازار، مدیریت ریسک، شبیه‌سازی و مدل‌سازی سناریوهای معاملاتی استفاده می‌کنند.
پیش بینی آب و هوا و آب و هوا:
هواشناسان از خوشه‌های HPC برای پردازش مقادیر زیادی از داده‌های ماهواره‌ها و حسگرها، ایجاد پیش‌بینی‌های دقیق آب و هوایی و مطالعه تغییرات آب و هوا استفاده می‌کنند.
بیوانفورماتیک:
از خوشه‌های HPC برای پردازش و تجزیه و تحلیل مجموعه داده‌های ژنومی بزرگ، کمک به کشف داروهای جدید و درک بیماری‌های ژنتیکی استفاده می‌شوند.
مهندسی و ساخت:
شرکت ها از خوشه های HPC برای شبیه‌سازی، طراحی و آزمایش محصولات استفاده می کنند. برای مثال، سازندگان خودرو می‌توانند تصادفات مختلف را برای بهبود ایمنی خودرو قبل از ساخت نمونه‌های اولیه فیزیکی شبیه‌سازی کنند.
معرفی انواع خوشه‌های HPC
خوشه های HPC در اشکال مختلفی وجود دارند که هر کدام برای رفع نیازها و چالش‌های خاص طراحی شده‌اند. در ادامه برخی از آنها معرفی شده‌اند:
خوشه‌های بیوولف Beowulf:
خوشه‌های Beowulf از سخت‌افزار استاندارد، بدون قفسه و نرم‌افزار منبع باز ایجاد شده‌اند. این خوشه‌ها برای سازمان‌ها و گروه‌های تحقیقاتی کوچکی مناسب هستند که به دنبال ساخت یک راه حل محاسباتی مقرون به صرفه و در عین حال قدرتمند می‌باشند.
خوشه‌های GPU:
این خوشه‌ها از واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) به همراه و یا به جای CPU های سنتی برای تسریع محاسبات استفاده می‌کنند. از این مدل برای کارهایی که شامل پردازش موازی عظیم، مانند یادگیری عمیق و پردازش تصویر هستند استفاده میشود.
خوشه‌های ترکیبی:
خوشه‌های هیبریدی انواع مختلفی از سخت‌افزارها مانند CPU، GPU و سایر شتاب دهنده‌ها را برای عملکرد بهتر ترکیب می‌کنند. این خوشه‌ها برای انواع مختلفی از امور مفیدند.
خوشه‌های HPC مبتنی بر ابر:
زمانی که قدرت HPC از طریق اینترنت در معرض استفاده عموم قرار بگیرد، اصلاحا به آن HPC Cloud می‌گویند. اینگونه سازمان‌ها می‌توانند بدون تجربه دردسرهای مربوط به ایجاد و مدیریت یک کلاستر HPC، از قدرت آن از راه دور بهره ببرند.
در حال حاضر شرکت ابر فردوسی یکی از بزرگترین شرکت‌های ارائه دهنده خدمات ابری علی‌الخصوص HPC Cloud در ایران است. کاربران زیادی از اقصی نقاط ایران و آسیا در حال انجام پردازش های خود با سرویس‌های ابری قدرتمند و مقرون به صرفه آن هستند. برای کسب اطلاعات بیشتر کلیک نمایید:
چگونه پردازش موازی در کلاسترهای HPC باعث افزایش سرعت می‌شن؟
سلام مهدی عزیز
پردازش موازی در کلاسترهای HPC باعث افزایش سرعت به دلایل زیر است:
تقسیم بار کاری: بارهای کاری به قطعات کوچک تقسیم و به طور همزمان پردازش می‌شوند.
استفاده از منابع چندگانه: چندین سرور به طور همزمان محاسبات را انجام می‌دهند.
کاهش زمان تأخیر: وظایف همزمان اجرا می‌شوند و زمان تأخیر کاهش می‌یابد.
کارایی بالاتر: اجزای سیستم به طور هماهنگ و با سرعت بالا کار می‌کنند.
این عوامل به افزایش چشمگیر سرعت محاسبات کمک می‌کنند.
سلام مهدی عزیز
پردازش موازی در کلاسترهای HPC باعث افزایش سرعت به دلایل زیر است:
تقسیم بار کاری: بارها به قطعات کوچک تقسیم و همزمان پردازش می‌شوند.
استفاده همزمان از منابع: چندین سرور محاسبات را همزمان انجام می‌دهند.
کاهش زمان تأخیر: وظایف همزمان اجرا می‌شوند و زمان تأخیر کاهش می‌یابد.
کارایی بالاتر: اجزای سیستم هماهنگ و با سرعت بالا کار می‌کنند.
این عوامل به افزایش چشمگیر سرعت محاسبات کمک می‌کنند.
چرا ایجاد کلاسترهای HPC نسبت به خرید ابررایانه‌ها مقرون به صرفه‌تره؟
سلام الناز عزیز
ایجاد کلاسترهای HPC نسبت به خرید ابررایانه‌ها مقرون به صرفه‌تر است زیرا:
هزینه‌های پایین‌تر: از سرورهای استاندارد و کم‌هزینه تشکیل می‌شوند.
مقیاس‌پذیری: به راحتی با اضافه کردن سرورهای جدید گسترش می‌یابند.
انعطاف‌پذیری: می‌توانند وظایف مختلف را همزمان پردازش کنند.
مدیریت آسان‌تر: با نرم‌افزارهای معمولی قابل مدیریت هستند.
این عوامل باعث میشود کلاسترهای HPC گزینه اقتصادی‌تر و انعطاف‌پذیرتری باشند.
ایجاد کلاسترهای محاسبات با کارایی بالا (HPC) به دلایل متعددی نسبت به خرید ابررایانه‌ها مقرون به صرفه‌تر هستش:
۱. هزینه‌های اولیه کمتر
۲. مقیاس‌پذیری
۳. انعطاف‌پذیری
۴. بهره‌وری بالا
۵. نگهداری و مدیریت آسان‌تر
در مجموع، ایجاد کلاسترهای HPC به دلیل هزینه‌های اولیه کمتر، مقیاس‌پذیری، انعطاف‌پذیری، بهره‌وری بالا و مدیریت آسان‌تر، گزینه‌ای مقرون به صرفه‌تر نسبت به خرید ابررایانه‌ها به شمار میره. این ویژگی‌ها به سازمان‌ها کمک می‌کنه تا از سرمایه‌گذاری‌های خود به بهترین نحو استفاده کنن و نیازهای محاسباتی خود را براورده کنن.
الناز عزیز سلام
ایجاد کلاسترهای محاسبات با کارایی بالا (HPC) به دلایل متعددی نسبت به خرید ابررایانه‌ها مقرون به صرفه‌تر هستش
۱. هزینه‌های اولیه کمتر
۲. مقیاس‌پذیری
۳. انعطاف‌پذیری
۴. بهره‌وری بالا
۵. نگهداری و مدیریت آسان‌تر
در مجموع، ایجاد کلاسترهای HPC به دلیل هزینه‌های اولیه کمتر، مقیاس‌پذیری، انعطاف‌پذیری، بهره‌وری بالا و مدیریت آسان‌تر، گزینه‌ای مقرون به صرفه‌تر نسبت به خرید ابررایانه‌ها به شمار میره. این ویژگی‌ها به سازمان‌ها کمک می‌کنه تا از سرمایه‌گذاری‌های خود به بهترین نحو استفاده کنن و نیازهای محاسباتی خود را برآورده کنن.
چه تفاوتی بین کلاستر HPC و سوپر کامپیوتر وجود دارد؟
نقش گره‌ها در کلاستر HPC چیست؟
چرا خوشه‌های HPC برای تحقیقات علمی مهم هستند؟