ابررایانه ها چه می خواهند؟

ماهنامه دانشمند - حسان حاجیان: تا به حال فکر کرده اید که تفاوت ابررایانه و سرور چیست؟ در نگاه اول هر دو رایانه های غول پیکری هستند که توانایی ذخیره کردن حجم عظیمی از داده ها و انجام میلیاردها محاسبه را در کسری از ثانیه دارند اما این تصویر چندان درست نیست. ابررایانه ها ماشین های رایانشی بزرگی هستند که سازندگان شان امیدوارند روزوی بتوانند با کمک آنها ابرقدرت جهان تحلیل گر شوند و قدرت عملکرد فناوری هایی مانند ربات ها و خودروهای خودران را بهبود ببخشند.

شاید شما هیچ وقت در زندگی تان از یک ابررایانه استفاده نکنید ولی هنگامی که مطلبی را در اینترنت می خوانید در حال تعامل با یک سرور هستید. استفاده از سرورها در زندگی دیجیتال کار رایج یاست اما ابررایانه ها معمولا در دانشگاه ها، آزمایشگاه های علمی، اداره های دولتی و دیگر موسسه هایی که توانایی پرداخت هزینه های بالای استفاده از آنها را دارند نصب می شوند.

در فیلم های علمی تخیلی گاهی ابررایانه ها به صورت ابزارهای فناورانه پیچیده ای نمایش داده می شوند که توانایی نجات دادن یا ویران کردن تمدن بشری و کره زمین را دارند اما ابررایانه در عمل از سخت افزارهای رایجی تشکیل شده است که انسان آنها را در مقیاس عظیمی با هم ترکیب کرده است. از آنجا که ابررایانه ها تعداد بسیاری پردازنده دارند، برای شبیه سازی سیستم ها و سامانه های پیچیده مناسب هستند. متخصصان از آنها برای اموری مانند پیش بینی هوا، ساخت هواپیما و شبیه سازی مغز استفاده می کنند.


سرور نرم افزاری است که درخواست هایی را که از سوی نرم افزاری دیگر یا کاربری واقعی داده می شود، دریافت می کند و به آنها پاسخ می دهد اما به دستگاه و سخت افزاری که نرم افزار سرور را اجرا می کند نیز سرور گفته می شود. معمولا از سرورها برای مدیریت منابع شبکه استفاده می شود. مثلا ممکن است شخصی برای کنترل دسترسی به یک شبکه ارسال و دریافت ایمیل مدیریت چاپگرها با میزبانی یک وب گاه سرور ایجاد کند.

بعضی از سرورها برای مقاصد خاصی استفاده می شوند که به آنها سرورهای اختصاصی (Dedicated Server۵) می گویند. انواع مختلفی از سرور چاپ، سرور فایل، سرور شبکه و سرور پایگاه داده ها. معمولا از سرورها برای کارهایی استفاده می شود که در هر زمانی ممکن است انجام شود، به همین دلیل بیشتر سرورها هیچ گاه خاموش نمی شوند. در نتیجه هنگامی که سروری با مشکل مواجه می شود برای شرکت یا کاربران شبکه مشکلات بسیاری پیش می آید. برای جلوگیری از وقوع چنین اتفاقی، معمولا در سرورها از رایانه های پیشرفته و قدرتمند استفاده می شود.

سرورها از جمله سرورهایی که پایگاه های داده های معاملات را پردازش می کنند، باید به اندازه کافی سریع باشند تا بتوانند به درخواست های متعدد همزمان پاسخ دهند. سازمان هایی که حجم بالایی از عملیات مهم و حیاتی را مدیریت می کنند، اغلب چندین سرور را به هم متصل کرده و از آنها به عنوان یک سرور واحد بهره می گیرند. در این صورت اگر برای یکی از سرورها مشکلی پیش بیاید، سرور دیگری می تواند وظایف آن را انجام دهد. بسیاری از صاحبان سرورها آنها را در قفسه های ایمن و اتاق های سرد نگهداری می کنند. اتاق سرد از بیش از اندازه گرم شدن سرور جلوگیری می کند.

ابررایانه ها قیمت های متفاوتی دارند چون سازندگان هر یک بسته به صلاح دید خود از سخت افزارها و تجهیزات متفاوتی در ساخت شان استفاده می کنند. قیمت ابررایانه ها بسته به نوع سخت افزارشان معمولا بین ۱۰ تا ۲۰ میلیون دلار است. یکی از علل این قیمت زیاد استفاده از پردازش موازی به منظور انجام هم زمان محاسبات است. برای انجام این کار به تعداد فراوانی سی پی یو و قطعات سخت افزاری پیشرفته نیاز است.

در بسیاری موارد برای استفاده از سرورها نیازی نیست یکی از آنها را بخرید اما به هر حال اگر درباره یک سرور شبکه معمولی که حجم بالایی از ترافیک را مدیریت می کند صحبت کنیم، قیمت آن از قیمت یک رایانه خانگی معمولی بیشتر است. قیمت سرورها معمولا بین چند صد تا چند هزار دلار است. علاوه بر هزینه خرید سخت افزار مناسب، صاحبان سرورها ممکن است مجبور باشند بسته به نوع سروری که دارند برای نرم افزار نیز هزینه بپردازند. قیمت یک سرور ساده فایل یا بازی ممکن است بسیار کمتر از قیمت یک سرور پایگاه داده های ماموریت های مهم و حیاتی باشد که نرم افزار SQL Server را اجرا می کند. قیمت سرور با افزایش توان پردازش آن بیشتر می شود.


سیناپس های مصنوعی گامی به سوی ساخت مغز مصنوعی

سیناپس در دستگاه عصبی، ساختاری است که به نورون (عصب یا سلول عصبی) اجازه می دهد سیگنال های الکتریکی یا شیمایی را به نورونی دیگر انتقال دهد. بنابراین دو نوع سیناپس وجود دارد؛ الکتریکی و شیمایی. با اینکه تعداد سیناپس الکتریکی کمتر است ولی این نوع سیناپس در هر نوع دستگاه عصبی جانوری یافت می شود و اجازه می دهد جریان مستقیم الکتریکی عبور کند. عصب تولید کننده جریان الکتریکی نورون پیش سیناپسی و عصب دریافت کننده این جریان نورون پس سیناپسی نامیده می شود.

توان پردازش عظیم مغز انسان ریشه در پیوندهای آن دارد. مغز حدود ۱۰۰ میلیارد نورون و یک کوادریلیون (یک میلیون میلیارد) پیوند بین سلولی، سیناپس دارد. در هر یک از این پیوندها در نورون به طور معمول ۱۰ بار در ثانیه پیام ارسال می کند. از دیدگاه نظری، مغز انسان می تواند در هر ثانیه ۱۰ کوادریلیون عملیات انجام دهد. در مقام مقایسه، اولین ابررایانه پر قدرت جهان، Sunway Taiul-ight قادر است در هر ثانیه تا ۹۳ کوادریلیون محاسبه انجام دهد. با وجود این مغز انسان فقط به ۲۰ وات انرژی نیاز دارد که به سختی برای روشن کردن یک لامپ کافی است اما Sunway Taihul-ight حدود ۱۵۳ مگاوات انرژی مصرف می کند که با این مقدار انرزی می توان ۹۰۰ هزار لامپ را روشن کرد.

دانشمندان می خواهند رایانه هایی بسازند که از توان و بازدهی مغز انسان تقلید کنند. توسعه سیناپس های مصنوعی با رفتارهایی مشابه سیناپس های طبیعی گاهی ضروری در این مسیر است. تاکنون سیناپس های مصنوعی بسیار بیشتر از نمونه های طبیعی انرژی مصرف می کردند. سیناپس های طبیعی هر بار که نورون پیامی ارسال کند ۱۰ فمتوزول انرژی مصرف می کنند. به تازگی سیناپس هایی ساخته شده که برای انجام این کار فقط به ۱.۲۳ فمتوزول انرژی نیاز دارند.

این سیناپس های مصنوعی جدید کم مصرف ترین سیناپس هایی هستند که تا به حال ساخته شده اند. خوب است بدانید اگر سیب کوچکی از ارتفاع یک متری به زمین بیفتد حدود یک کوادریلیون فمتوژول انرژی جنبشی ایجاد می کند. پژوهشگران سازنده این سیناپس عقیده دارند در آینده مغزهای مصنوعی از لحاظ مصرف انرژی و چگالی حافظه (Memory Density) از مغز انسان سبقت می گیرند.

سیناپس های مصنوعی جدید نوعی ترانزیستور یا کلید برقی هستند. آنها با روشن و خاموش شدن می توانند عملکرد سیناپس طبیعی را تقلید کنند. سیناپس های مصنوعی طول بلند و انعطاف پذیریِ ساختار فیبر عصبی انسان را تقلید می کنند. از دیدگاه نظری می توان این ابزارها را در شبکه های سه بعدی آرایش داد و مغز انسان را شبیه سازی کرد. با این حال برای ایجاد شبکه های سه بعدی به وسیله سیناپس مصنوعی به پیشرفت در حوزه چاپگرهای سه بعدی نیاز است.

پژوهش گران در حال کار برای توسعه نانوسیم های ارگانیکی هستند که فقط چند نانو پهنا دارند. آنها همچنین تمایل دارند با تغییر نوع و ساختار مواد مورد استفاده میزان مصرف انرژی ترانزیستورهای سیناپسی را باز هم کاهش دهند.

ابررایانه ای که جای مینی بوس با شما حرف می زند

«الی» (Olli) نام مینی بوس خودرانی با ظرفیت حمل ۱۲ مسافر است که با استفاده از چاپگرهای سه بعدی ساخته شده است. این مینی بوس می تواند با کمک ابررایانه واتسون شرکت آی بی ام، حرف های شما را بفهمد، دستورهای تان را اجرا کند و به سوال های تان پاسخ دهد.

آی بی ام و ابررایانه آن نقشی در راندن خودرو ندارند. این کار را سامانه ای انجام می دهد که آن را لکال موتورز (Local Motors)، شرکت سازنده این مینی بوس چاپی و چند شرکت دیگر ساخته اند. آی بی ام رابط کاربری برای مسافران تهیه کرده است که به آنها امکان می دهد با خودرو گفتگو کنند. اگر بخواهید جایی بروید کافی است به خودرو بگویید. از نظر آی بی ام این خودرو نخستین راهکار کامل برای رانندگی خودکار است و برای انجام این کار از توان محاسباتی شناختی ابررایانه واتسون استفاده می کند.

بهره گیری از شناخت زبان طبیعی به ایجاد رابطه بین مسافر و خودرو کمک می کند. خودرویی که زبان انسان را می فهمد به شما به عنوان مسافر اجازه می دهد در آرامش از سفر خود لذت ببرید. شما می توانید سوار خودرو شوید و به آن بگویید «می خوام بروم سر کار»، این خودرو از بیش از ۳۰ حسگر استفاده می کند و داده ها را به سرور ابری آی بی ام منتقل می کند و سپس دستورها را از آن دریافت می کند.


با استفاده از واتسون مسافران می توانند درباره نحوه کار خوردو، مقصد و تصمیمات خاصی که سامانه راندن خودرو می گیرد سوال های مختلفی بپرسند. خودرو همچنین می تواند به زجرآورترین سوالی که می توان از راننده پرسید جواب دهد: «کی می رسیم؟» این مینی بوس خودران همچنین قادر است بر اساس علایق و ترجیحات شخصی مسافران به آنها پیشنهادهایی درباره رستوران های محبوب و آثار تاریخی موجود در منطقه بدهد.

محاسبات (پردازش) شناختی (Cognitive computing) با بهره گیری از مزیت حجم عظیم داده هایی که از تمامی ابزارهای متصل به اینترنت اشیا رد و بدل می شوند، از جمله حسگرها و سامانه های پرشمار موجود در هر خودرو، فرصت هایی باورنکردنی برای خلق تجربه های شخصی سازی شده و غیرمشابه برای مسافران به وجود می آورد.

ریزتراشه هایی که ابررایانه ها را قوی تر می کنند

«کیلوکر» (KiloCore) نام ریزتراشه ای متشکل از هزار پردازنده مستقل است که قابلیت برنامه ریزی و بازده انرژی بالا و توان پردازش حداکثر ۱۷۸ تریلیون دستور در ثانیه دارد. تراشه های چند هسته ای تاکنون بیش از ۳۰۰ هسته نداشته اند و بیشتر آنها برای مقاصد پژوهشی ساخته شده و تعداد اندکی به طور تجاری فروخته شده اند. کیلوکر را آی بی ام و با بهره گیری از فناوری CMOS۳۲ نانومتری ساخته است و در آن از ۶۲۱ میلیون ترانزیستور استفاده کرده است. در این ریزتراشه هر هسته پردازنده برنامه اش را به طور مستقل از سایر هسته ها اجرا و پردازش می کند. این قابلیت اساسا نسبت به روش های یک دستور چند داده ای (SIMD) که در پردازنده هایی مانند جی پی یوها (GPU) استفاده می شود، روش انعطاف پذیرتری است.


ایده بهره گیری از چنین روشی این است که یک عملیات را تا حد امکان به بخش های کوچک تقسیم کرده و به طور هم زمان و موازی هر بخش در یک پردازنده اجرا شود. به این ترتیب می توان به توان عملیاتی بالا و مصرف انرژی پایین دست یافت. از آنجا که هر پردازنده به طور مستقل عمل می کند، هر گاه وظیفه ای بر عهده اش نباشد می تواند برای کاهش مصرف انرژی، خودش را خاموش کند. هسته ها به طور میانگین با حداکثر سرعت ۱.۷۸ گیگاهرتز کار می کنند و به جای استفاده از یک فضای حافظه مشترک، داده ها را به طور مستقیم از یکدیگر انتقال می دهند.

این ریزتراشه از لحاظ مصرف انرژی پربازده ترین پردازنده چند هسته ای است و می تواند در هر ثانیه ۱۱۵ میلیارد دستور را با مصرف فقط ۰.۷۴ وات انرژی پردازش کند. این میزان انرژی را می توان به وسیله یک باتری قلمی تامین کرد. کیلوکر ۱۰۰ برابر پردازنده های لپ تاپ های جدید بازدهی دارد. رمزگذاری/رمزشکنی بی سیم (wireless coding/decoding)، پردازش ویدیو، رمزگذاری (encryption) و همچنین کارهای دیگری که جم عظیمی از داده های هم زمان را شامل می شود (مثلا استفاده های علمی و پردازش در پایگاه های داده ها) از جمله کاربردهایی است که تاکنون برای این ریزتراشه در نظر گرفته شده اند.