ما المقصود بالحوسبة الفائقة؟
الحوسبة الفائقة (Supercomputing) هي عملية استخدام موارد وحدة المعالجة المركزية الضخمة والشبكات عالية السرعة لمعالجة البيانات المعقدة على نطاق واسع. تتطلب بعض حالات الاستخدام، مثل المحاكاة الجيولوجية أو تحليل الحمض النووي، المعالجة المتزامنة لمليارات أو حتى تريليونات من نقاط البيانات في إطار زمني قصير. تقنية الحوسبة الفائقة هي شكل من أشكال الحوسبة عالية الأداء التي تستخدم مئات أو حتى آلاف العُقَد التي تعمل بالتوازي لحل المشكلات المعقدة معًا. تم تحسين عُقد الحوسبة الفائقة بشكل كبير باستخدام المسرعات القائمة على الأجهزة التي تقوم بإجراء العمليات الحسابية وتبادل البيانات ودمجها بسرعات لا يمكن الوصول إليها بواسطة الأجهزة العادية.
ما حالات استخدام الحوسبة الفائقة؟
تضم الحوسبة الفائقة مجموعة واسعة من التطبيقات. وعلى الرغم من أنها ليست قائمة شاملة، إليك مجموعة مختارة من الأمثلة التي توضح كيفية استخدام الشركات للحوسبة الفائقة.
ديناميكا الموائع الحوسبية
ديناميكا الموائع الحوسبية (CFD) هي عملية استخدام النمذجة الرياضية المعقدة لتتبع انتقال الحرارة وحركة السوائل والزخم والعمليات الأخرى ذات الصلة. وتعتمد هذه الديناميكا على الإنتاج السريع لعمليات محاكاة شاملة تتفوق الحوسبة الفائقة في إنشائها. على سبيل المثال، تستخدم الفورمولا 1 تقنية ديناميكيات الموائع الحوسبية لاختبار الخصائص الديناميكية الهوائية للسيارات. وباستخدام الحوسبة الفائقة، يمكنها محاكاة تفاصيل مختلفة عند تصميم سياراتهم، مما يقلل الوقت اللازم للتسويق ويزيد الكفاءة.
البحث الجينومي
تعد قوة المعالجة المتقدمة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة مفيدة عند دراسة البنية المعقدة للغاية والوظيفة وخريطة الجينوم. وتسمح عمليات النقاط العائمة الرباعية في الثانية التي تقدمها أجهزة الكمبيوتر العملاقة للباحثين بإجراء أبحاث جينومية على نطاق واسع. وكمثال واقعي، تستخدم المكتبة الوطنية للطب أجهزة كمبيوتر عملاقة قوية لإنتاج أرشيف قراءة التسلسل (SRA). ويحتوي أرشيف قراءة التسلسل على نتائج متسلسلة من أكثر من تسعة ملايين تجربة، ويسمح لعلماء المعلومات الحيوية بتحليل محتوياتها بشكل شامل.
الألعاب
يجب على مهندسي الألعاب التأكد من أن اللاعبين يمكنهم الوصول إلى ألعابهم دون إسقاط الحزم أو الازدحام أو فقدان الإطارات. وتسمح الحوسبة الفائقة للمطورين بتحسين الرسومات ومحاكاة الفيزياء وتقديم إعدادات واقعية. تساعد المعالجات المتعددة للحوسبة السحابية في معالجة البيانات وتقديم أداء عالٍ للاعبين والمطورين. على سبيل المثال، يوفر NICE DCV خدمات بث التطبيقات وأجهزة سطح المكتب عن بُعد إلى أي جهاز عبر السحابة. ويلغي هذا الدعم الحاجة إلى محطات عمل مخصصة باهظة الثمن. وباستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة هذه، يمكن للمطورين الوصول إلى الأداء العالي مع تحسين التكاليف.
الأبحاث الطبية
يشير البحث الطبي إلى البحث والتطوير وإنتاج الأدوية والمواد الكيميائية الجديدة. وتمنح موارد الحوسبة الفائقة الباحثين قوة المعالجة اللازمة لاستكشاف تريليونات من نقاط البيانات في وقت واحد. وتساعد أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحديثة في كل مكان، بدايةً من النمذجة الجزيئية إلى إنتاج مواد جديدة لصحة الإنسان.
تعبر الكيمياء الجيدة عن مثال للحوسبة الفائقة في العمل. وتهدف هذه الشركة المبتكرة إلى خلق عالم أكثر استدامة من خلال حل المشكلات المعقدة المتعلقة بعلوم المواد. وهي تستخدم الحوسبة الفائقة لمحاكاة تطوير طرق جديدة لكسر الروابط الكيميائية لمواد ما قبل الفلوروألكيل والبولي فلوروألكيل، والتي تضر بصحة الإنسان.
ما فوائد الحوسبة الفائقة؟
يمكن لأجهزة الكمبيوتر العملاقة تجميع الموارد لتوفير كوادريليونات من عمليات النقطة العائمة في الثانية. وتستعين المؤسسات بتقنية الحوسبة الفائقة عالية الأداء هذه للوصول إلى المزايا التالية.
تسريع وقت الوصول إلى السوق
تدعم الحوسبة الفائقة النماذج الرقمية للمنتجات الجديدة المعقدة، مما يحسن الكفاءة ويسرع وقت التسويق في صناعات مثل الأدوية وأبحاث الطاقة الحرارية الأرضية والمجالات الرياضية الأخرى. وهي تستخدم المعالجة المتوازية لتقليل الوقت المستغرق لإكمال العمليات الحسابية المعقدة والمحاكاة المادية بشكل كبير. ويتم إكمال العمليات الحسابية التي تستغرق أسابيع بشكل عام في جزء صغير من ذلك الوقت. ويمكنك زيادة سرعة مراحل البحث والتطوير من خلال تسريع عمليات المحاكاة.
تبني تقنيات الذكاء الاصطناعي/تعلم الآلة
تتطلب تقنيات الذكاء الاصطناعي (AI) وتعلم الآلة (ML) قوة حوسبية هائلة لمعالجة كميات البيانات الكبيرة. يمكنك استخدام الحوسبة الفائقة للتعامل مع معالجة البيانات ذات الحجم الكبير، مثل تريليونات من نقاط البيانات في الثانية، لتوفير مستوى عالٍ من البصيرة في مجموعات البيانات الضخمة. وتعمل الحوسبة الفائقة على تشغيل الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة، مما يسمح لهذه التقنيات بالأداء على نطاق واسع.
تحليل البيانات الكبيرة
يمكن للحوسبة الفائقة تحليل تريليونات من نقاط البيانات في جزء صغير من الوقت الذي تستغرقه عادةً. ويمكنك تحليل مجموعات البيانات الضخمة، بالإضافة إلى إجراء التعرف على الأنماط واستخراج البيانات والتحليل وعمليات تحليل البيانات الأخرى. تساعد الحوسبة الفائقة على تبسيط تحليل البيانات الكبيرة في الصناعات التي تعد فيها المعالجة المتوازية لملايين البيانات في وقت واحد أمرًا حيويًا - مثل التمويل والبحث العلمي والطب.
أداء أسرع
يعد الكمبيوتر العملاق النموذجي أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية نظرًا لما يضمه من موارد أدوات تكنولوجيا المعلومات من آلاف المعالجات المتوازية المحتملة. وتعد أجهزة الكمبيوتر العملاقة أداة لا غنى عنها - حيث إن أداءها العالي يفسح المجال لزيادة سرعة أي عملية متعلقة بالكمبيوتر.
كيف تعمل الحوسبة الفائقة؟
تستخدم الحوسبة الفائقة كتلًا من العقد الحوسبية المنتشرة عبر شبكة متصلة بالإنترنت. تقوم كل عقدة بتنفيذ مجموعة فرعية من نفس المهمة بحيث تقوم معًا بحساب النتيجة المعقدة النهائية. وتتكون كتلة الحوسبة عالية الأداء من مئات أو حتى آلاف العقد الحوسبية، حيث تحتوي كل عقدة على ما يقرب من ثمانية إلى 128 وحدة معالجة مركزية. وتقوم البرامج الوسيطة للشبكة بعد ذلك بتوصيل موارد الحوسبة هذه بتطبيقات عالية المستوى تتطلب طاقة معالجة حسب الحاجة.
العقد
هناك ثلاثة أنواع من العُقد تسهل معظم وظائف الكمبيوتر العملاق:
عقدة المستخدم
تطلب عقدة المستخدم موارد من شبكة الحوسبة. وبمجرد أن يقدم المستخدم النهائي هذا الطلب، فإنه يمر عبر البرامج الوسيطة، ويبلغ جميع العقد الموجودة على نظام الحوسبة الشبكية.
العقدة الخاصة بالموفر
توفر عقدة الموفر الموارد للشبكة الحوسبية. فعندما تتلقى هذه العُقد طلبًا جديدًا، تبدأ في تنفيذ المهمة. وتسمح العديد من عُقد الموفر بالمعالجة المتعددة المتماثلة بقدرة عمليات عالية النقاط في الثانية. وتقوم البرامج الوسيطة بجمع النتائج وإعادتها.
عقدة التحكم
تعمل عقدة التحكم كمسؤول، حيث تدير تخصيص جميع موارد عقدة الموفر. ويتم تشغيل أداة اتصال البرامج الوسيطة على عقدة التحكم، حيث تقوم بتوزيع المهام على موفرين محددين.
ما مكونات نظام الحوسبة الفائقة؟
يتكون نظام الحوسبة الفائقة من عدة مكونات أساسية تعمل معًا لتقديم أداء عالٍ. فيما يلي شرح للمكونات الرئيسية.
واجهة الشبكة
تستخدم الحوسبة الفائقة واجهات شبكة مخصصة تسمح لك بتشغيل التطبيقات باستخدام الاتصال بين العقد. وتعمل هذه الواجهات على تحسين أداء الاتصال بين المثيلات، وتساعد في توسيع أعباء العمل. تستخدم هذه التقنيات مزيجًا من واجهة تمرير الرسائل (MPI) وتطبيقات تعلم الآلة لتوفير المرونة عند الطلب.
بروتوكول العرض عن بُعد
تستخدم أجهزة الكمبيوتر العملاقة بروتوكول العرض عن بُعد، بحيث يمكن للعملاء الوصول إلى التطبيقات من مراكز البيانات أو السحابة على أجهزتهم. يتيح لك هذا البروتوكول تشغيل التطبيقات المكثفة عن بُعد، وبث واجهة المستخدم إلى أجهزة أبسط. يلغي هذا المكون الحاجة إلى محطات عمل مخصصة باهظة الثمن ويوفر عمليات نشر مرنة.
أداة إدارة الكتلة
تتيح لك أدوات إدارة الكتلة إدارة كتل الحوسبة عالية الأداء ونشرها. وتتضمن هذه الأداة واجهة مستخدم رسومية بسيطة لتمنحك الوصول إلى الموارد التي تعمل على تشغيل الشبكات. ويمكنك استخدام أداة إدارة الكتلة لإرسال الاستعلامات وإجراء المعالجة المتوازية وإدارة كتل الموارد المتوفرة لديك بشكل فعال.
الواجهة الموحدة
تسمح لك الواجهة الموحدة باستخدام الخدمات السحابية الأصلية بالتعاون مع المجموعات المتوازية. ويمكنك استخدام واجهة واحدة موحدة لإرسال الوظائف إلى شبكة أجهزة الكمبيوتر العملاقة لديك أو البنية التحتية المحلية الخاصة بك. وتسمح لك هذه الواجهة الموحدة بتتبع جميع موارد الحوسبة لديك وزيادة أداء التطبيق إلى أقصى حد.
إدارة التبريد والطاقة
تستخدم أنظمة الحوسبة الفائقة أنظمة تبريد قوية لزيادة كفاءة الطاقة. ونظرًا لأن هذه الأنظمة تستخدم الكثير من طاقة الحوسبة، فإنها تحتاج إلى المساعدة في التبريد حتى لا ترتفع درجة حرارتها. ويمكن للأنظمة الموفرة للطاقة تقديم أداء عالٍ مع استهلاك موارد أقل.
كيف يمكن أن تساعد AWS في دعم متطلبات الحوسبة الفائقة لديك؟
توفر الحوسبة عالية الأداء من AWS شبكات سريعة وبنية تحتية غير محدودة تقريبًا، مما يسمح لك بتشغيل عمليات المحاكاة المعقدة وأعباء عمل التعلم العميق في السحابة. تقدم AWS مجموعة كاملة من منتجات وخدمات الحوسبة عالية الأداء لتزويدك برؤى أسرع وقوة حسابية أكبر وقابلية توسع غير محدودة. على سبيل المثال:
- تساعدك Amazon EC2 UltraClusters في التوسع إلى الآلاف من وحدات معالجة الرسومات أو مسرعات تعلم الآلة، مما يؤدي إلى استخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة عند الطلب.
- يوفر NICE DCV بروتوكول عرض عن بُعد عالي الأداء مع أمان شامل وتكاليف محسّنة وعمليات نشر مرنة إلى أجهزة الكمبيوتر المكتبية البعيدة.
- تعمل AWS ParallelCluster كأداة لإدارة المجموعات مفتوحة المصدر، وتمكنك من توسيع نطاق الموارد تلقائيًا، والترحيل السلس إلى السحابة، والإدارة السهلة للبنية التحتية للكتلة.
ابدأ العمل باستخدام الحوسبة الفائقة على AWS من خلال إنشاء حساب مجاني اليوم.
