آیا می‌دانید HPC چیست؟ محاسبات با کارایی بالا (High-Performance Computing) یا چیزی که به آن محاسبات سریع هم می‌گویند، به توانایی پردازش داده‌ها و انجام محاسبات پیچیده در مدت‌زمان بسیار کم گفته می‌شود. برای درک بهتر این مفهوم، لپ‌تاپ معمولی خودتان را در‌نظر بگیرید که می‌تواند حدود ۳ میلیارد محاسبه را در کسری از ثانیه انجام دهد. اگر فکر می‌کنید این میزان محاسبه زیاد است، هنوز با مفهوم سرعت در دنیای تکنولوژی آشنا نشده‌اید!
راه‌حل‌های HPC می‌توانند حداقل ۴ میلیارد محاسبه را در کسری از ثانیه انجام دهند! از شناخته‌شده‌ترین راه‌حل‌های HPC می‌توان به ابر‌رایانه‌ها که شامل هزاران گره‌ی محاسباتی هستند اشاره کرد. با کمک این گره‌ها که عملیات پردازش موازی را انجام می‌دهند، مثل این است که هزاران رایانه‌ی شخصی را به هم متصل کرده‌اید و از قدرت محاسباتی مشترک‌شان استفاده می‌کنید. وقت آن رسیده که به این سوال که HPC چیست؟ و چرا اینقدر برای ما مهم است؟ جواب دهیم.
محاسبات با کارایی بالا (HPC) چیست؟
HPC بر روی تجمیع توان محاسباتی تمرکز دارد و می‌تواند سرعت محاسبات بیشتری نسبت به رایانه‌های سنتی و انواع مختلف سرور ابری داشته باشد. HPC یا ابر‌کامپیوتر‌ها، همان محاسبات روزانه‌ی ما را انجام می‌دهند؛ اما به دلیل قدرتمند بودن، این کار را بسیار سریع‌تر انجام می‌دهند. با استفاده از ابر‌رایانه‌ها، می‌توانیم حجم عظیمی از داده‌ها را با کمک چندین رایانه و دستگاه‌های ذخیره‌سازی، با سرعت بسیار بالایی پردازش کنیم.
در حال حاضر، از راه‌حل‌های HPC برای رایانش ابری و حل مشکلات پیچیده استفاده می‌شود و روز‌به‌روز به تعداد سازمان‌هایی که بار کاری HPC را به محیط ابری منتقل می‌کنند، اضافه می‌شود. اگر HPC را در فضای ابری پیاده‌سازی کنید، به نمونه‌های اولیه کمتری نیاز خواهید داشت و با سریع‌تر کردن روند پردازش و آزمایش‌ها، زمان عرضه‌ی محصول به بازار را کمتر می‌کنید.
نحوه کار HPC چیست؟
برخی از محاسباتی که دارای بار کاری زیاد هستند، مانند پیدا‌کردن توالی DNA، برای پردازش سریع به رایانه‌های قوی نیاز دارند. HPC این مشکل را با کمک گره‌های منفرد (کامپیوتر) که در یک خوشه (گروه متصل‌شده) با یکدیگر کار می‌کنند، حل کرده‌است. این گره‌ها با کمک یکدیگر حجم عظیمی از محاسبات را در کمترین زمان ممکن انجام می‌دهند. برای کاهش هزینه‌های محاسباتی در فضای ابری، خوشه‌ها به صورت خودکار ایجاد یا حذف می‌شوند. کسب‌و‌کار‌های مختلف می‌توانند با خرید vps و استفاده‌ی همزمان از HPC برای انجام بار‌های کاری‌شان، در زمان و هزینه‌های خود صرفه‌جویی کنند.
معمولا HPC بر روی انواع مختلفی از بار‌های کاری اجرا می‌شود. رایج‌ترین نوع بار‌های کاری که از HPC استفاده می‌کنند عبارتند‌از:
رایانش موازی (Embarrassingly parallel)
در این روش، محاسبات بزرگ به وظایف کوچک، ساده و مستقل که اغلب می‌توانند با ارتباط کم یا حتی بدون ارتباط به‌طور همزمان اجرا شوند، تقسیم می‌شوند. برای مثال، فرض کنید که یک شرکت قصد دارد ۱۰۰ میلیون رکورد کارت اعتباری را به هسته‌های پردازشگر جداگانه در دسته‌ای از گره‌ها بفرستد. با اینکه پردازش هر کارت اعتباری، کار کوچک و سبکی تلقی می‌شود، اما وقتی از ۱۰۰ میلیون رکورد صحبت می‌کنیم، ممکن است مدت‌زمان زیادی لازم باشد تا پردازش تمام شود. با پردازش موازی و همزمان ۱۰۰ میلیون رکورد، کار سیستم در‌عرض چند ثانیه تمام می‌شود.
رایج‌ترین موارد استفاده از پردازش موازی عبارتند‌از شبیه‌سازی ریسک، شبیه‌سازی لجستیک، مدل‌سازی مولکولی، جستجوی متنی و…
وابستگی قوی (Tightly coupled)
در وابستگی قوی یک سیستم، یک حجم کاری مشترک و بزرگ وجود دارد که این کار بزرگ به کار‌های کوچک که به‌طور مداوم با همدیگر ارتباط برقرار می‌کنند، تقسیم می‌شود. به بیانی دیگر، در چنین سیستم، زمانی که گره‌های مختلف در خوشه‌ها در حال پردازش هستند، با یکدیگر مرتبط‌اند. از وابستگی قوی برای انجام کار‌هایی نظیر شبیه‌سازی برخورد خودرو، شبیه‌سازی مواد، دینامیک سیالات، مدیریت ترافیک، شبیه‌سازی مکانی و… استفاده می‌شود.
دلایل اهمیت HPC چیست؟
حال با این تفاسیر، دلیل اهمیت HPC چیست؟ احتمالا نمی‌دانید که HPC برای چندین دهه، بخش مهمی از تحقیقات دانشگاهی و نوآوری در مراکز تحقیقاتی جهان بوده است. این فناوری، به دانشمندان داده، مهندسان، طراحان و سایر محققان کمک می‌کند تا بتوانند مسائل بزرگ و پیچیده‌ی مربوط به کارشان را با هزینه و زمان بسیار کم و با سرعت بسیار زیاد پردازش کنند.
برخی از مهم‌ترین مزایای HPC عبارتند‌از:
- نیاز به آزمایش فیزیکی را از بین برده‌است: از آنجایی‌که می‌توان از HPC در کار‌های شبیه‌سازی استفاده کرد، محققان بخش‌های مختلف، دیگر نیازی به شبیه‌سازی فیزیکی ندارند. به عنوان مثال، در شبیه‌سازی تصادفات خودرو، می‌توان میزان صدمه برای یک بخش یا فرد خاص در خودرو را با‌توجه به سرعت، شتاب، سختی بدنه و بسیاری از فاکتور‌های دیگر به صورت دقیق محاسبه کرد. بدین صورت، نه تنها نتیجه‌ی شبیه‌سازی بسیار زودتر از آزمایش سنتی بدست می‌آید، بلکه از هزینه‌های اضافی هم کاسته می‌شود.
- افزایش سرعت انجام کارها: پروتکل HPC از جدید‌ترین پردازنده‌ها با واحد‌های پردازش گرافیکی (GPU) و شبکه‌های با تأخیر کم مانند RDMA و همچنین دستگاه‌های ذخیره‌سازی محلی استفاده می‌کند. در‌نتیجه، به جای اینکه مانند چند دهه‌ی قبل، چند هفته یا چند ماه را برای اتمام پردازش سیستم صبر کنید، می‌توانید حجم عظیمی از محاسبات را در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه انجام دهید.
- کاهش هزینه‌های پروژه: وقتی پاسخ خود را سریع‌تر دریافت می‌کنید، به این معنی است که هم زمان و هم هزینه‌ی کمتری را صرف کرده‌اید. نه تنها کسب‌و‌کار‌های بزرگ، بلکه استارت‌آپ‌ها و کسب‌و‌کار‌های کوچک هم می‌توانند سرعت پیشرفت خود را با استفاده از HPC افزایش داده و هزینه‌هایشان را کمتر کنند. اگر قصد دارید هزینه‌های کسب‌و‌کار‌تان را در حداقل مقدار ممکن نگه دارید، می‌توانید با خرید سرور مجازی ایران و انتقال بار‌های کاری بر روی HPC، هزینه‌ها را تا حد بسیار زیادی مدیریت کنید.
- افزایش نوآوری و خلاقیت: وقتی بدانید که محدودیتی برای پردازش اطلاعات ندارید، می‌توانید زمان، بودجه و نیروی کاری‌تان را بر روی ایجاد نوآوری و خلاقیت متمرکز کنید. محققان با کمک HPC می‌توانند تمام ایده‌هایشان را آزمایش کنند تا به نتیجه‌ی مطلوب‌تری برسند.
موارد استفاده از HPC چیست؛ در کدام صنایع از این محاسبات استفاده می‌شود؟
در حال حاضر، اکثر صنایع از پروتکل HPC استفاده می‌کنند و روز‌به‌روز محبوبیت این تکنولوژی در حال پیشرفت است. در قسمت زیر، برخی از مهم‌ترین صنایعی که از HPC استفاده می‌کنند و انواع بار کاری که HPC به پردازش آن‌ها کمک می‌کند عبارتند‌از:
- صنایع هوافضا: برای پردازش کار‌هایی مانند شبیه‌سازی‌های پیچیده، محاسبه‌ی جریان هوا بر روی بال‌های هواپیما و…
- ساخت‌و‌ساز: ایجاد شبیه‌سازی‌هایی مانند طراحی‌های پیچیده، شبیه‌سازی رانندگی اتومبیل‌های خودران، ساخت و آزمایش محصولات جدید، ساخت قطعات سبک‌تر با کارایی بهتر، پیاده‌سازی و آزمایش ایده‌های جدید و…
- فناوری مالی (fintech): انجام مدل‌سازی های مالی، کشف تقلب، تریدینگ با نوسان بالا، تجزیه‌و‌تحلیل‌های پیچیده‌ی ریسک و…
- ژنومیکس: ایجاد توالی DNA، آنالیز و ساخت پروتئین، تجزیه‌و‌تحلیل تداخلات دارویی و…
- مراقبت‌های بهداشتی: ساخت ترکیب جدید واکسن‌ها، توسعه‌ی درمان‌های جدید برای بیماری‌های نادر، آزمایش و تحقیق بر روی دارو‌ها و…
- رسانه و سرگرمی: ایجاد جلوه‌های ویژه برای فیلم‌ها، ساخت انیمیشن، ساخت بازی و سرگرمی‌های جدید، رمزگذاری فایل‌های رسانه‌ای بزرگ و…
- صنایع نفت و گاز: پردازش لرزه‌ای، تجزیه‌و‌تحلیل فضایی و آزمایش مدل‌های مخزن برای تشخیص محل قرارگیری تاسیسات نفتی و…
- مشاغل خرده‌فروشی: ارائه‌ی خدمات بهتر به مشتریان، تجزیه‌و‌تحلیل بازار، تجزیه‌و‌تحلیل مشتریان هدف و…
استقرار HPC
پروتکل HPC هم در فضای ابری، هم در فضای داخلی و هم در فضای هیبریدی که ترکیبی از این دو فضا است، پیاده‌سازی می‌شود. در استقرار داخلی، یک خوشه‌ی HPC که از سرور‌های متعدد است را به همراه راه‌حل‌های ذخیره‌سازی و سایر زیرساخت‌های لازم ایجاد می‌کنند و به مرور زمان آن‌ها را ارتقا می‌دهند.
در استقرار ابری، ارائه‌دهنده‌ی خدمات ابری مسئولیت مدیریت زیرساخت‌های HPC را بر‌عهده دارد.
برخی از سازمان‌ها، به ویژه آن‌هایی که بر روی زیرساخت‌های داخلی سرمایه‌گذاری کرده‌اند، استقرار هیبریدی را ترجیح می‌دهند. استقرار هیبریدی دارای سرعت و انعطاف‌پذیری بالایی است و صرفه‌جویی در هزینه‌های ابری را به‌همراه دارد؛ زیرا در این روش استقرار، می‌توان از محیط ابری برای اجرای برخی از بار‌های کاری HPC استفاده کرد و هر زمان که زیرساخت‌های داخلی به مشکل برخورد، تمام بار‌های کاری را به ابر منتقل کرد.
استقرار داخلی HPC چه چالش‌هایی دارد؟
با اینکه سازمان‌هایی که از استقرار داخلی پروتکل HPC استفاده می‌کنند، کنترل کاملی بر روی عملیات کاری خود دارند، اما این روش استقرار دارای چالش‌هایی است که نباید از آن‌ها غافل شد. برخی از مهم‌ترین چالش‌های استقرار داخلی HPC عبارتند‌از:
- برای ارتقای تجهیزات محاسباتی، وقت و هزینه‌ی زیادی صرف می‌شود.
- هزینه‌های عملیاتی و مدیریتی آن نسبتا زیاد است.
- زمانی که تقاضا افزایش می‌یابد، زمان انتظار در صف نیز بیشتر می‌شود.
- به دلیل چرخه‌های طولانی ارتقا و خرید تجهیزات، فرآیند ارتقا زمان‌بر است و در‌نتیجه، سرعت تحقیقات و تجارت کاهش می‌یابد.
به دلیل چالش‌های بالا و بسیاری از چالش‌های دیگری که در استقرار داخلی HPC وجود دارد، اکثر سازمان‌ها، استقرار ابری را ترجیح می‌دهند. زمانی که پردازش‌های خود را در فضای ابری اجرا می‌کنید، فقط برای آنچه استفاده می‌کنید هزینه می‌پردازید و لازم نیست هزینه‌ی ارتقا و تعمیرات را بپردازید.
همچنین، دیگر نیازی نیست بابت قدیمی‌شدن تجهیزات داخلی‌تان نگران باشید، زیرا ارائه‌دهندگان خدمات ابری معمولا از جدید‌ترین و سریع‌ترین پردازنده‌ها، سیستم‌های ذخیره‌سازی و شبکه‌های RDMA استفاده می‌کنند. بنابراین، هر زمان که اراده کنید و بدون نیاز به اینکه در صف منتظر بمانید، می‌توانید از خدمات ابری استفاده کنید.
در زمان انتخاب HPC ابری به چه نکاتی توجه کنیم؟
باید توجه داشته باشید که خدمات تمام ارائه‌دهندگان ابری یکسان نیست. همچنین، برخی از محیط‌های ابری برای پروتکل HPC طراحی نشده‌اند و نمی‌توانند در دوره‌های اوج بار کاری سخت، عملکرد قابل‌قبولی داشته باشند.
به‌طور کلی، در زمان انتخاب یک ارائه‌دهنده‌ی خدمات ابری، باید به ۴ ویژگی توجه داشته باشید:
- عملکرد خوب: ارائه‌دهنده‌ی خدمات ابری باید آخرین نسل پردازنده‌ها، سیستم‌های ذخیره‌سازی و فناوری‌های شبکه را داشته باشد. در زمان انتخاب ارائه‌دهنده باید دقت کنید که از ظرفیت عملیاتی و عملکرد بالایی برخوردار بوده و با سیستم‌های استقرار داخلی برابر باشد و یا بهتر از این سیستم‌ها عمل کند.
- تجربه‌ی کار با HPC: ارائه‌دهنده‌ای که انتخاب می‌کنید باید در زمینه‌ی اجرای بار‌های کاری با HPC تجربه‌ی زیادی داشته باشد. همچنین، سرویس ابری باید به‌گونه‌ای باشد که توانایی عملکرد بهینه در اوج بار کاری را داشته باشد و عملکرد پایدار و قدرتمندی را از خود نشان دهد.
- انعطاف‌پذیری در جابجایی و تغییر: بار‌های کاری شما باید همان‌طور که در فضای داخلی اجرا می‌شوند، در فضای ابری نیز اجرا شوند. در‌نتیجه، پس از اینکه بار‌ها را به ابر منتقل کردید، نتیجه‌ی شبیه‌سازی‌تان در فضای ابری باید با نتیجه‌ی شبیه‌سازی در فضای داخلی باشد. این مورد برای صنایعی که با داده‌ها و محاسبات یکسان سر‌و‌کار دارند بسیار مهم است. برای مثال، محاسبات و فرمول‌های شیمی، آیرودینامیک یا اتومبیل تغییری نمی‌کنند و در‌نتیجه، نتایج نیز نباید تغییر کنند.
- نداشتن هزینه‌های پنهان: ارائه‌دهنده‌ی خدمات ابری باید تمام هزینه‌های اصلی و جانبی را به‌صورت شفاف بیان کند. در‌نتیجه، باید مطمئن شوید که برای هر‌بار استفاد از سرویس با مشخصات ارائه‌شده، دقیقا چه مبلغی را باید بپردازید. توجه داشته باشید که ممکن است ارائه‌دهنده‌ی خدمات ابری، هزینه‌های جداگانه‌ای بابت هر تراکنش، دسترسی به داده‌ها یا خروجی تعریف کرده باشد.
جمع‌بندی؛ آینده‌ی HPC چگونه است؟
در حال حاضر، روز‌به‌روز به تعداد کسب‌و‌کار‌هایی که به پروتکل HPC روی می‌آورند اضافه می‌شود. در‌نتیجه، اینطور به‌نظر می‌رسد که در سال‌های آینده سرمایه‌گذاری بر روی این فناوری بسیار بیشتر از الان باشد.
HPC به کسب‌و‌کار‌ها کمک می‌کند تا از شر هزینه‌های اضافی و انتظار‌های طولانی برای پردازش داده‌ها خلاص شوند. همچنین، از آنجایی‌که عملکرد سیستم‌های ابری همواره در حال پیشرفت است، احتمالا استقرار HPC مبتنی بر ابر نسبت به سایر استقرار‌ها رشد بیشتری داشته باشد.
نوشته HPC چیست و چگونه کار می‌کند؟ اولین بار در مجله آقای وب. پدیدار شد.
