معرفی انواع نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری

دانشمندان و مهندسان امروزی قادرند از دل یک سلول انسانی تا دورترین کهکشان کیهانی سفر کنند و کوچک‌ترین جزئیات آن‌ها را مورد مطالعه قرار دهند. این پیشرفت شگفت‌انگیز، ثمره‌ی وجود فناوری محاسبات سنگین ابری است که اجرای نرم‌افزارهای پیچیده و پرمصرف را با ارائه منابع کامپیوتری پیشرفته خود تسهیل می‌کند. این نرم افزارها که عموما در شبیه‌سازی‌های علمی، پردازش داده‌های کلان یا اجرای مدل‌های هوش مصنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرند را اصطلاحا نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری می نامند. زیرا برای عملکرد دقیق و سریع با منابع پردازشی بالایی نیازمندند.

به زبان ساده می توان گفت که معمولا زمانی از سرورهای محاسبات سنگین ابری (Cloud HPC) استفاده می‌شود که سخت‌افزار شخصی کاربر توان اجرای نرم‌افزار و یا پردازش داده‌های حجیم آن را ندارد. در این زمان است که سرورهای ابری، منابع پردازشی قدرتمند خود را از طریق اینترنت به سخت افزار شخصی کاربر می رساند. اینک کاربر قادر است تا بدون نیاز به خرید سخت‌افزارهای گران‌قیمت، از قدرت پردازشی بالا برای اجرای نرم‌افزارهای سنگین خود بهره برد. با توجه به این ویژگی ها پیشبینی می‌شود که ارزش بازار جهانی HPC تا سال ۲۰۲۸ از ۳۳۰ به ۸۰۵ میلیارد دلار خواهد رسید.

نرم افزارهای معروف محاسبات سنگین ابری کدامند؟

نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری نقش مهمی در انجام تحلیل‌های پیچیده، شبیه‌سازی‌های علمی و پردازش داده‌های کلان دارند. به عنوان مثال تحلیل داده‌های پیچیده با سرور محاسبات سنگین ابری با نتایج سریع، دقیق و قابل اعتماد تری همراه است. در ادامه، با برخی از مهم‌ترین نرم افزارهای Cloud HPC آشنا خواهیم شد:

1. ANSYS:

ANSYS یکی از قدرتمندترین نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مهندسی است که برای تحلیل عددی در مکانیک، دینامیک سیالات (CFD)، الکترومغناطیس، انتقال حرارت و… استفاده می‌شود. این نرم‌افزار بر پایه روش اجزای محدود (FEM) کار می‌کند و در صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی، الکترونیک و انرژی برای طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های پیچیده به کار می‌رود. با استفاده از ANSYS در سرورهای HPC ابری، محاسبات را با سرعت بیشتر و دقت بالاتر انجام دهید.

2. COMSOL:

COMSOL یک نرم‌افزار پیشرفته برای شبیه‌سازی چندفیزیکی است که امکان مدل‌سازی هم‌زمان پدیده‌های مختلف مانند مکانیک، الکترومغناطیس، انتقال حرارت و واکنش‌های شیمیایی را فراهم می‌کند. این نرم‌افزار به‌طور گسترده در تحقیقات علمی و صنعتی، از جمله در مهندسی پزشکی، نانوتکنولوژی و انرژی‌های تجدیدپذیر، مورد استفاده قرار می‌گیرد. با اجرای COMSOL در محیط ابری، زمان پردازش مدل‌های پیچیده را کاهش دهید.

3. ABAQUS:

یکی از نرم‌افزار های محاسبات سنگین ابری قدرتمند در تحلیل اجزای محدود (FEM) است که برای مدل‌سازی و تحلیل سازه‌های پیچیده مکانیکی، مواد پیشرفته و رفتار غیرخطی به کار می‌رود. این نرم‌افزار در صنایع هوافضا، خودروسازی، عمران و بیومکانیک کاربرد گسترده‌ای دارد و به دلیل دقت بالا در تحلیل تنش، کرنش و شکست مواد، مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. با استفاده از آن در محیط ابری، مدل‌های بسیار پیچیده را در زمانی کوتاه‌ تحلیل کنید.

4. LAMMPS:

LAMMPS یک نرم‌افزار متن‌باز برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) است که در بررسی خواص مواد، نانومواد، بیومولکول‌ها و فیزیک محاسباتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار با بهره‌گیری از پردازنده‌های گرافیکی (GPU) و پردازش موازی، امکان اجرای شبیه‌سازی‌ها را در مقیاس بزرگ فراهم می‌کند. LAMMPS به‌ویژه در تحقیقات دانشگاهی و آزمایشگاه‌های علمی برای مطالعه رفتار مواد در سطوح نانو و اتمی کاربرد دارد.

5. Gaussian:

Gaussian نیز یکی از پرکاربردترین نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری است که در حوزه شیمی محاسباتی و مکانیک کوانتومی برای پیش‌بینی ساختارهای مولکولی، انرژی‌های الکترونیکی و واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود. این نرم‌افزار به پژوهشگران کمک می‌کند تا خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را بدون نیاز به آزمایش‌های پرهزینه بررسی کنند. Gaussian از محاسبات ابری و پردازش موازی پشتیبانی می‌کند که باعث افزایش سرعت و دقت در انجام شبیه‌سازی‌های پیچیده می‌شود.

6. Lumerical:

Lumerical یک نرم‌افزار پیشرفته برای شبیه‌سازی اپتیکی و فوتونیک است که در طراحی دستگاه‌های نوری مانند حسگرها، لیزرها و تراشه‌های فوتونیکی استفاده می‌شود. این نرم‌افزار از روش‌های عددی پیشرفته برای تحلیل برهم‌کنش نور و مواد بهره می‌برد و در صنایع مخابرات نوری، نیمه‌هادی‌ها و بیوفوتونیک کاربرد دارد. با اجرای Lumerical بر روی سرورهای ابری امکان انجام شبیه‌سازی‌های پیچیده نوری را با سرعت بالا فراهم کنید.

7. Siemens STAR-CCM+:

Siemens STAR-CCM+ یکی از نرم‌افزارهای پیشرفته در دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که برای تحلیل جریان‌های سیال، آیرودینامیک، انتقال حرارت و طراحی سیستم‌های پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار در صنایعی مانند خودروسازی، انرژی، هوافضا و صنایع دریایی کاربرد دارد و به مهندسان امکان می‌دهد تا عملکرد سیستم‌ها را قبل از ساخت، بهینه‌سازی کنند.

8. SolidWorks:

SolidWorks یک نرم افزار محبوب برای مدل‌سازی‌های مهندسی و سه‌بعدی است که در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا و تولید قطعات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار ابزارهای پیشرفته‌ای برای طراحی، شبیه‌سازی و تحلیل محصولات ارائه می‌دهد. اجرای SolidWorks بر روی سرورهای گرافیکی ابری، به مهندسان و طراحان اجازه می‌دهد بدون نیاز به سخت‌افزارهای قدرتمند محلی، مدل‌های پیچیده را با سرعت بالا پردازش کنند.

9. Mathematica:

نرم افزار Mathematica نیز یک ابزار پیشرفته برای تحلیل داده‌های پیچیده، محاسبات ریاضی، مدل‌سازی و برنامه‌نویسی نمادین (Symbolic Computation) است. این نرم‌افزار به دلیل قدرت بالا در حل معادلات پیچیده و تجزیه‌وتحلیل داده‌ها در زمینه‌های علمی، مهندسی و اقتصادی کاربرد گسترده‌ای دارد. به‌کارگیری Mathematica در محیط‌های محاسبات ابری، امکان انجام پردازش‌های ریاضیاتی در مقیاس بزرگ را با دسترسی از راه دور فراهم می‌کند.

10. MATLAB :

نرم افزار MATLAB یکی دیگر از نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری است که در محاسبات عددی (Numerical Computation)، تحلیل داده‌ها و شبیه‌سازی‌های مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار به‌ویژه در کنترل سیستم‌ها، پردازش سیگنال، یادگیری ماشین و مهندسی برق کاربرد گسترده‌ای دارد. MATLAB از زبانی مشابه C استفاده می‌کند و بیشتر بر روی پردازش ماتریسی و عملیات عددی تمرکز دارد.

11. OpenFOAM:

OpenFOAM یک نرم‌افزار متن‌باز برای شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که در صنایع مختلف مانند هوافضا، خودروسازی، انرژی و مهندسی زیستی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار به کاربران امکان حل معادلات پیچیده جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش‌های شیمیایی را می‌دهد. OpenFOAM یکی از محبوب‌ترین ابزارهای شبیه‌سازی‌های علمی با محاسبات سنگین است که به GPU نیز نیاز دارد. برای آشنایی بیشتر مقاله OpenFOAM چیست را بخوانید.

12. HPC-GAP:

HPC-GAP نسخه‌ای بهینه‌شده از نرم‌افزار GAP، یکی دیگر از نرم افزارهای محاسباتی است که در حوزه ریاضیات گسسته و جبر کامپیوتری کاربرد دارد. این نرم‌افزار از پردازش موازی بهره می‌برد و به کاربران اجازه می‌دهد محاسبات پیچیده را در محیط‌های توزیع‌شده و رایانش ابری انجام دهند. HPC-GAP در تحقیقات ریاضیاتی و علوم داده‌ای به‌ویژه در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی به کار گرفته می‌شود.

13. VMD (Visual Molecular Dynamics):

VMD یک نرم‌افزار تخصصی برای تجسم و تحلیل داده‌های دینامیک مولکولی است که به‌طور گسترده در زیست‌شناسی محاسباتی و شیمی محاسباتی استفاده می‌شود. این نرم‌افزار به دانشمندان کمک می‌کند که ساختارهای مولکولی پیچیده را بررسی و تعاملات بیومولکولی را تجزیه‌وتحلیل کنند. استفاده از VMD در محیط‌های ابری HPC و گرافیکی، امکان پردازش و تجسم داده‌های حجیم را با سرعت بالا فراهم می‌کند.

14. BioLQM:

BioLQM یک ابزار تخصصی برای مدل‌سازی و تحلیل شبکه‌های تنظیمی زیستی است که در زیست‌شناسی سیستم‌ها کاربرد دارد. این نرم‌افزار به محققان کمک می‌کند تا مدل‌های ریاضی از سیستم‌های زیستی ایجاد نمایند و تغییرات دینامیکی آن‌ها را بررسی کنند. اجرای BioLQM بر روی سرورهای محاسباتی ابری، امکان تحلیل داده‌های بیولوژیکی در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند.

15. Quantum ESPRESSO:

Quantum ESPRESSO یک مجموعه نرم‌افزار متن‌باز برای انجام شبیه‌سازی‌های مکانیک کوانتومی و مدل‌سازی مواد است. این نرم‌افزار در فیزیک جامد، شیمی محاسباتی و مهندسی مواد برای تحلیل ساختارهای الکترونی و خواص فیزیکی مواد استفاده می‌شود. به دلیل نیاز بالا به پردازش‌های پیچیده، Quantum ESPRESSO از قابلیت پردازش موازی و GPU بهره می‌برد و اجرای آن در سرورهای محاسبات ابری، زمان شبیه‌سازی‌ها را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

مزایای استفاده از نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری

در بخش قبل با بسیاری از کاربردهای نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری در دنیای علم و مهندسی آشنا شدیم. در این قسمت از مقاله نیز قرار است با برخی از مهم ترین مزایای استفاده از این فناوری که منجر به تسهیل کار پژوهشگران، مهندسان و صنایع مختلف می‌شوند، آشنا شویم:

1. کاهش هزینه‌های سخت‌افزاری

با استفاده از HPC ابری، کاربران دیگر نیازی به خرید و نگهداری از سرورهای گران‌قیمت ندارند. زیرا به جای سرمایه‌گذاری برای خرید سخت‌افزارهای قدرتمند، می‌توانند از منابع پردازشی ابری به‌صورت پرداخت بر اساس استفاده (Pay-as-you-go) بهره ببرند.

2. پردازش سریع‌تر و مقیاس‌پذیری بالا

سرورهای محاسبات سنگین ابری مجهز به منابع پردازشی پرقدرتی هستند که امکان انجام محاسبات پیچیده را در مدت‌زمان کوتاه‌تری فراهم می‌کنند. همچنین، کاربران می‌توانند منابع را بر اساس نیاز خود افزایش یا کاهش دهند و از مقیاس‌پذیری بالای این سیستم‌ها بهره ببرند.

3. دسترسی از راه دور و همکاری تیمی

نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری از هر نقطه در جهان قابل دسترسی هستند، بنابراین محققان و تیم‌های مهندسی می‌توانند به‌صورت هم زمان و از راه دور بر روی پروژه‌های خود کار کنند. این ویژگی به‌ویژه برای پژوهش‌های بین‌المللی و تیم‌های توزیع‌شده مفید بسیار است.

4. پشتیبانی از پردازش موازی و داده‌های حجیم

انجام کارهایی مانند شبیه‌سازی‌های فیزیکی، مدل‌سازی‌های مولکولی، پردازش تصویر، یادگیری ماشین و… نیاز به پردازش موازی دارند. سرورهای ابری امکان اجرای الگوریتم‌های محاسباتی پیچیده را به‌صورت موازی فراهم می‌کنند و باعث افزایش بهره‌وری محاسباتی می‌شوند.

5. امنیت و پشتیبان‌گیری خودکار

سرویس‌های ابری معمولاً دارای سطح بالایی از امنیت داده و قابلیت پشتیبان‌گیری خودکار هستند، بنابراین کاربران نیازی به نگرانی در مورد از دست رفتن اطلاعات یا خرابی سخت‌افزار را نخواهند داشت. این ویژگی یک مزیت بزرگ در استفاده از نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری محسوب می‌شود.

6. بهینه‌سازی مصرف انرژی

استفاده از سرورهای ابری به‌جای زیرساخت‌های محلی، میزان مصرف انرژی و هزینه‌های مربوط به خنک‌سازی و نگهداری را کاهش می‌دهد، که این امر منجر به حفاظت از محیط زیست و کاهش هزینه‌های عملیاتی می گردد. بسیاری از حامیان محیط زیست این ویژگی را یک مزیت بزرگ برای نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری میدانند.

بانک نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری در ابر فردوسی

با توجه به مزایای بالا مشخص می‌شود که استفاده از نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری یک بُرد بزرگ است، زیرا کاربران آن نه تنها نیازی به خرید و نگهداری از سخت افزارهای گران قیمت ندارند، بلکه تنها با چند کلیک به نرم افزار مورد نیاز خود متصل می‌گردند.

در حال حاضر ابر فردوسی یکی از برترین ارائه دهندگان خدمات ابری در ایران است که به بانک نرم افزارهای آماده به نصب و نصب اتوماتیک مجهز است. کاربران این شرکت می‌توانند پس از ساخت سرور HPC، نرم افزار مورد نظر خود را نصب کنند و از آن در بالاترین سطح قدرت و سرعت استفاده نمایند. برای تست این شرایط ویژه کلیک نمایید:

جمع‌بندی

امروزه، محاسبات سنگین ابری (Cloud HPC) به‌عنوان یکی از مهم‌ترین فناوری‌های تحول‌آفرین در شاخه های علوم و مهندسی شناخته می‌شود. این فناوری امکان اجرای نرم‌افزارهای پیچیده را با استفاده از منابع پردازشی ابری فراهم می‌کند، بدون آنکه کاربران نیازی به خرید و نگهداری از سخت‌افزارهای گران‌قیمت داشته باشند. از نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری عموما در حوزه‌هایی مانند شبیه‌سازی‌های علمی، پردازش داده‌های کلان، هوش مصنوعی، دینامیک سیالات، تحلیل سازه، شیمی محاسباتی و… استفاده می‌شود. کاربران می‌توانند با استفاده از HPC ابری سرعت و دقت پردازش‌های خود را به‌طور چشمگیری افزایش دهند.

سوالات متداول

چنانچه سوال یا ابهامی در مورد نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری در ذهن شما باقی مانده است و یا پیشنهادی جهت تکمیل این مقاله دارید، خوشحال خواهیم شد که در بخش نظرات پاسخگوی شما باشیم. با این حال در ادامه به چند سوال متداول خوانندگان پاسخ داده‌ایم:

پیوست ها

فایل PDF مقاله نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری:

فایل صوتی مقاله نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری:

منابع مقاله نرم افزارهای محاسبات سنگین ابری: