ما المقصود بالحوسبة العنقودية؟
ما المقصود بالحوسبة العنقودية؟
الحوسبة العنقودية هي عملية استخدام عقد حوسبة متعددة، تسمى عناقيد، لزيادة قوة المعالجة لحل المشكلات المعقدة. تتطلب حالات الاستخدام المعقدة مثل أبحاث الأدوية وتحليل البروتينات وتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي معالجة متوازية لملايين نقاط البيانات لتنفيذ مهام التصنيف والتنبؤ المعقدة. تعمل تقنية الحوسبة العنقودية على تنسيق عقد حوسبة متعددة، ولكل منها وحدات معالجة مركزية ووحدات معالجة رسوميات وذاكرة داخلية خاصة بها، للعمل معًا على مهمة معالجة البيانات نفسها. تعمل التطبيقات على البنية التحتية للحوسبة العنقودية كما لو كانت على جهاز واحد ولا تدرك تعقيدات النظام الأساسية.
كيف تطورت تقنية الحوسبة العنقودية؟
اخترعت عناقيد الحوسبة في ستينيات القرن الماضي لتوفير قدرة المعالجة المتوازية، والذاكرة، والتخزين عبر عدة أجهزة كمبيوتر. كانت العناقيد المبكرة تتكوّن من عدة أجهزة كمبيوتر شخصية ومحطات عمل وخوادم. كان كل جهاز كمبيوتر متصلاً بشبكة محلية (LAN)، ما أتاح للمستخدمين الوصول إلى الموارد كما لو كانوا يستخدمون جهاز كمبيوتر واحد.
على مر السنين، تطورت التقنيات التي تمكّن الحوسبة العنقودية، ما أدى إلى حالات استخدام أكثر تنوعًا، مثل الحوسبة عالية الأداء (HPC). تستخدم الحوسبة عالية الأداء معالجات متصلة متعددة، ربما مئات الآلاف، لتوفير قوة حوسبة متوازية هائلة. تستخدم المؤسسات HPC لدعم أعباء العمل في التطبيقات كثيفة الموارد مثل تحليل البيانات والبحث العلمي وتعلُّم الآلة والمعالجة المرئية.
الحوسبة العنقودية في السحابة
كان إعداد عناقيد الحوسبة في السابق يستلزم التثبيت والتكوين اليدويين لجهاز الكمبيوتر، ونظام التشغيل، وإمكانات الشبكة وآليات توزيع الموارد. بالإضافة إلى ذلك، يضع الإعداد المحلي ضغطًا ماليًا على المؤسسات، حيث يتطلب توسيع نطاق العنقود الاستثمار في المزيد من أجهزة الخادم.
واليوم، يقدم العديد من موفري الخدمات السحابية عناقيد حوسبة مُدارة عالية الأداء (HPC) يمكن للمؤسسات نشر أعباء العمل عليها بسهولة. بدلاً من إعداد الآلاف من أجهزة الكمبيوتر المتصلة محليًا، يمكنك الوصول إلى قوة معالجة سحابية غير محدودة باستخدام AWS HPC.
تسمح AWS HPC لفرق البرامج بالابتكار وتوسيع نطاق أعباء العمل كثيفة الحوسبة من خلال خدمات الحوسبة العنقودية المتاحة. على سبيل المثال، تستخدم Hypersonix الحوسبة عالية الأداء لتشغيل عمليات محاكاة ديناميكيات السوائل عالية السرعة التي تشمل ملايين الخلايا في سحابة AWS.
ما هي حالات استخدام الحوسبة العنقودية؟
فيما يلي، نشارك التطبيقات النموذجية لتقنيات الحوسبة العنقودية.
تحليلات البيانات الضخمة
يمكن للحوسبة العنقودية تسريع تحليل البيانات من خلال توزيع المهام التحليلية على أجهزة كمبيوتر متعددة بشكل متوازٍ. على سبيل المثال، يمكنك تشغيل عمليات حسابية معقدة، مثل Monte Carlo أو علم الجينوم أو تحليل المشاعر باستخدام عناقيد الحوسبة السحابية المصممة لدعم أعباء عمل الحوسبة عالية الأداء (HPC).
الذكاء الاصطناعي وتعلُّم الآلة
تستهلك تطبيقات الذكاء الاصطناعي وتعلُّم الآلة (AI/ML) قوة معالجة هائلة عند تدريب البيانات ومعالجتها. من خلال البنية التحتية للحوسبة العنقودية المصممة لهذا الغرض، يمكن لعلماء البيانات تسريع وقت الوصول إلى النتائج. على سبيل المثال، يمكنك تشغيل عبء عمل الذكاء الاصطناعي/تعلُّم الآلة على عناقيد الذكاء الاصطناعي السحابية المدعومة من AWS Trainium، وهي شريحة حوسبة مصممة لتسريع أبحاث الذكاء الاصطناعي.
العرض ثلاثي الأبعاد
تتيح الحوسبة العنقودية عرض العناقيد، وهي عملية لتزامن الصور أو الفيديو بواسطة مجموعة من أجهزة الكمبيوتر المتصلة لعرضها على شاشات متعددة. يمكنك أيضًا استخدام عرض العناقيد لدعم الهندسة بمساعدة الكمبيوتر والواقع الافتراضي والتطبيقات الأخرى التي تتطلب قوة معالجة رسومات مكثفة.
عمليات المحاكاة
تستخدم المؤسسات عناقيد الحوسبة لمحاكاة النتائج المحتملة من البيانات لتوجيه قرارات الشركات. ربط عدة أجهزة كمبيوتر معًا يتيح سير عمل تفاعلي يمكن للخبراء من خلاله استخراج النتائج من النماذج الرئيسية ومراجعتها وتحسينها. على سبيل المثال، يمكنك تشغيل تحليل المخاطر المالية من خلال تشغيل أعباء عمل تعلُّم الآلة الأساسية بموارد من أجهزة الكمبيوتر المتصلة.
كيف تعمل الحوسبة العنقودية؟
تربط الحوسبة العنقودية جهازي كمبيوتر أو أكثر عبر شبكة للعمل بانسجام كنظام واحد. عادةً ما يتكوّن إعداد العنقود من عقد حوسبة، وعقدة رئيسية، وموزانة تحميل، وآلية المراقبة الدورية. عندما تتلقى العقدة الرئيسية طلبًا، فإنها تمرر المهمة إلى عقد الحوسبة. وفقًا لكيفية تكوين المهندسين للعنقود، قد تعمل كل عقدة على المهمة بشكل منفصل أو متزامن. نوضح كل مكون أدناه.
عقد الحوسبة
عقد الحوسبة هي خوادم (أو مثيلات سحابية) تعمل على المهام الموزَّعة. غالبًا ما تشترك في نفس وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والذاكرة والتخزين ونظام التشغيل ومواصفات الحوسبة الأخرى. نُطلق على هذا التكوين اسم إعداد متجانس. قد يُستخدم أحيانًا إعداد غير متجانس، حيث تحمل بعض عقد العنقود مواصفات حوسبة مختلفة.
العُقدة الرئيسية
العقدة الرئيسية هي كمبيوتر مخصص لتنسيق كيفية عمل عقد الحوسبة الأخرى معًا. تتلقى العقدة الرئيسية الطلبات الواردة وتوزَّع المهام على العقد المختلفة تحت مسؤوليتها. إذا تعطل العقدة الرئيسية، ستتولى عقدة أخرى مكانها عبر عملية انتخاب، عادةً بموافقة العقد المتبقية.
موازنة التحميل
موازنة التحميل هو جهاز شبكة يقوم بتوزيع حركة المرور الواردة إلى العقد الحاسوبية المناسبة. وهو يتتبع أنشطة الشبكة واستخدام الموارد وتبادل البيانات بين العقد العنقودية. في الحوسبة العنقودية، تمنع موازنة التحميل عقد الحوسبة من التعرض للزيادة المفاجئة في الطلبات. في بعض الأحيان، تعمل العقدة الرئيسية كموازنة تحميل من خلال أداة برمجية مخصصة لموازنة التحميل.
آلية المراقبة الدورية
تراقب آلية المراقبة الدورية جميع عقد الحوسبة في العنقود للتأكد من أنها تعمل. عندما تفشل العقدة في الاستجابة، تنبه آلية ضربات القلب العقدة الرئيسية، وإعادة توزيع المهمة على العقد الوظيفية الأخرى.
ما أنواع الحوسبة العنقودية؟
يمكن للمؤسسات إعداد عناقيد الحوسبة لدعم مختلف الأهداف المتعلقة بالأعمال والأداء والتشغيل.
عناقيد موازنة التحميل
تمكِّن عناقيد موازنة التحميل الاستقرار التشغيلي من خلال تنسيق إدارة الموارد تلقائيًا. عندما يتلقى العنقود طلبًا، فإنه يوزِّع المهمة بالتساوي عبر جميع العقد المتاحة. وبالتالي، يحول ذلك دون تحميل أي عقدة عبئًا يفوق قدرتها. على سبيل المثال، تستضيف الشركات مواقع التجارة الإلكترونية على عناقيد موازنة الأحمال لتلبية الزيادات الموسمية في حركة المرور. ولأن العقد تشترك جميعها في تنفيذ الطلب، يستمتع المستخدمون بأداء ثابت رغم حجم حركة المرور الكبير.
عناقيد التوفر الدائم
تضمن عناقيد التوفّر الدائم (HA) توفر الخدمة من خلال الحفاظ على العقد الزائدة عن الحاجة. عند فشل عقدة واحدة، يعيد موازن التحميل توزيع حركة المرور إلى العقد الاحتياطية، ما يضمن استمرارية الخدمة في جميع الأوقات. غالبًا ما يضمَّن موازن تحميل احتياطي في الإعداد لمنع حدوث نقطة فشل واحدة. بهذه الطريقة، يمكن للعنقود بأكمله التعافي سريعًا إذا تعطلت مكوناته.
يمكنك تكوين عناقيد التوفر الدائم بطريقتين.
تكوينات التشغيل المتزامن
جميع العقد تعمل، سواء كُلِّفت بمهمة أم لا. ومع ذلك، إذا فشلت، فسيعيد موازن التحميل توزيع المهمة على العقد السليمة.
تكوينات التشغيل النشط والاحتياطي.
تظل بعض العقد خاملة في أثناء العمليات العادية. لا تنشط هذه العقد إلا عند فشل إحدى العقد.
العناقيد العالية الأداء
تجمع العناقيد العالية الأداء بين أجهزة كمبيوتر متعددة أو أجهزة كمبيوتر فائقة لحل المهام الحسابية المعقدة بمعالجة عالية السرعة. بدلاً من المعالجة بالتتابع، تعالج العناقيد العالية الأداء البيانات بالتوازي، ما يفيد التطبيقات الكثيفة الاستخدام للموارد مثل استخراج البيانات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لعقد الحوسبة تبادل البيانات أثناء عملها لتحقيق هدف مشترك.
ما دور الحوسبة العنقودية في مجال الذكاء الاصطناعي؟
تتطلب أعباء عمل الذكاء الاصطناعي موارد حوسبة ضخمة وسعة تخزين كبيرة واتصالات شبكة ذات زمن انتقال منخفض. في السابق، نشرت المؤسسات أعباء عمل الذكاء الاصطناعي في مراكز البيانات المحلية. ومع ذلك، نظرًا لأن تطبيقات الذكاء الاصطناعي أصبحت أكثر تعقيدًا، فإنها تتطلب المزيد من قوة الحوسبة ومساحة التخزين. عند إعادة استخدامها لأعباء عمل الذكاء الاصطناعي، تنشئ الحوسبة العنقودية شبكة ضخمة من أجهزة الكمبيوتر الفائقة التي يمكن تشغيل أعباء عمل الذكاء الاصطناعي عليها. بدلاً من وحدات المعالجة المركزية، تشتغَّل أجهزة الكمبيوتر الفائقة بواسطة وحدات معالجة الرسومات ووحدات معالجة الرسومات لتلبية متطلبات الحوسبة العالية. تسمح هياكل الكتل هذه، والتي تسمى أيضًا بكتل الذكاء الاصطناعي الفائقة، للمؤسسات ببناء ونشر وتوسيع نطاق التعلم العميق والأنظمة المستقلة وتحليلات البيانات الضخمة وتطبيقات الذكاء الاصطناعي الأخرى.
كيف يمكن لـ AWS دعمك في متطلبات الحوسبة العنقودية؟
خدمة الحوسبة المتوازية من AWS (AWS PCS) هي خدمة مُدارة تستخدم Slurm أعباء عمل الحوسبة عالية الأداء (HPC) وتوسيع نطاقها على AWS. يمكنك استخدام AWS PCS من أجل:
- تبسيط عمليات العناقيد باستخدام إمكانات الإدارة والمراقبة المضمَّنة.
- إنشاء عناقيد حوسبة تدمج الحوسبة والتخزين والشبكات والتمثيل المرئي في AWS.
- تشغيل عمليات المحاكاة أو إنشاء نماذج علمية وهندسية.
Elastic Fabric Adapter (EFA) هو واجهة شبكة لحوسبة العقد التي تعمل على مثيلات Amazon EC2. تُحسِّن واجهته المصممة خصيصًا أداء الاتصالات بين المثيلات، وهو أمر بالغ الأهمية لتوسيع نطاق تطبيقات الحوسبة العنقودية.
AWS ParallelCluster هي أداة إدارة العناقيد مفتوحة المصدر تجعل من السهل نشر عناقيد Amazon EC2 وإدارتها. يمكنك استخدام واجهة مستخدم رسومية بسيطة (GUI) أو ملف نصي لنمذجة وتوفير الموارد اللازمة لتطبيقات HPC بطريقة آلية وآمنة.
ابدأ استخدام الحوسبة السحابية على AWS من خلال إنشاء حساب مجاني اليوم.