در دنیای امروز، حل مسائل علمی و کاربردی به توان پردازشی زیادی نیاز دارد که با شیوه‌های سنتی غیرممکن یا بسیار هزینه‌بر و زمان‌بر خواهد بود.
برای شما ساده است که یک مطلب Word یا صفحه گسترده اکسل را در درایور دیسک لپ تاپ خود ذخیره کنید. احتمالاً حداکثر مقدار داده‌ای که در این صورت باید ذخیره شود، تنها چند مگابایت (MB) خواهد بود. با این حال، در HPC، داده‌هایی که باید از سیستم ذخیره‌سازی خوانده یا نوشته شوند ممکن است به ترتیب اگزابایت (EB) باشد که هزار میلیون بار بیشتر است.
پردازش‌های فوق سریع که به آن HPC می‌گویند، راهکارهایی برای ارزیابی، پیشگویی مدل‌های موجود و آنالیز داده‌های انبوه ارائه کرده و سبب پیشرفت‌هایی چشمگیر در حوزه‌های مرتبط با سیستم‌های فناوری اطلاعات، سیستم‌های مرتبط با صنعت بانکی و همچنین حوزه‌های علمی شده‌اند.
در معنای لغوی و محتوایی باید بگوییم که: به توانایی پردازش داده‌ها و انجام محاسبات پیچیده در سرعت‌های بالا، رایانش با عملکرد بالا یا (HPC) High performance computing گفته می‌شود.
در یک جمله می‌توان گفت که Hpc یک فناوری رایانشی با پردازش فوق سریع است. این فناوری، بدین دلیل «رایانه پردازش فوق سریع» نام گرفته است که در مقایسه با سرور ریزرایانه‌ها یا کامپیوترهای شخصی ارزان، برتری‌های اجرایی و کاربردی فوق‌العاده‌ای دارد.
رایانش سریع و محاسبات پیشرفته، به انجام محاسباتی اتلاق می‌شود که برای هدف خود به بیش از یک کامپیوتر نیازمند باشد و یا به عبارتی بطور همزمان از چندین کامپیوتر استفاده کند. ابر کامپیوترها و خوشه‌های کامپیوتری برای حل انبوهی از معادلات پیچیده استفاده می‌شوند.
کاربردهای اصلی رایانش سریع عبارتند از:
– تحلیل و نگهداری داده‌ها
– شبیه سازی
– مدل سازی
– توسعه نرم‌افزارها
– مشاهده انبوه داده‌های به هم وابسته
– محاسبات سریع ریاضی
رایانش سریع یا محاسبات سریع(High Performance Computing)، شاخه‌ای از علم نرم‌افزار است که با تجمیع توان محاسباتی تعداد زیادی از رایانه‌های متوسط و کوچک، امکان انجام کارهای محاسباتی و علمی سنگین را با سرعت زیاد و هزینه کم امکان پذیر می‌کند.
HPC برای موارد زیر بکار گرفته می‌شود:
– توسعه محصولات و طراحی مجدد آن‌ها
– بهینه‌سازی تولید و فرآیندهای آن
– تحلیل یا توسعه انبوه داده‌ها
– هدایت پروژه‌های تحقیقاتی گسترده
– ذخیره‌سازی حجم‌های بسیار زیاد داده برای تحلیل‌های بعدی
– برآیندسازی مصرف تولیدات، جستجو و الگو سازی
– تصویرسازی‌های کامپیوتری برای توضیح نتایج تحقیقاتی
– شبیه‌سازی و مدل‌سازی فرآیندهای پیچیده
علم محاسبات همراه با منابع محاسباتی و فناوری HPC سه رکن اصلی برای همانندسازی تئوری‌ها و نظریه‌ها با نتایج آزمایشات عملی هستند. HPC این قابلیت را دارد که با حجم بسیار عظیم داده‌ها کار کرده و با سرعت فوق‌العاده‌ای نتایج را تحلیل کند. این کار با استفاده از کامپیوترهای معمولی ممکن است چند ماه طول بکشد؛ در حالی که با استفاده از کامپیوترهای HPC می‌تواند تنها در چند دقیقه یا چند ساعت به انجام برسد. ذکر این نکته حائز اهمیت است که در اکثر موارد، کامپیوترهای معمولی اصولاً برای انجام چنین محاسباتی ناتوان هستند.
استفاده از HPC سبب صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه و زمان می‌شود. hpc این قابلیت را دارد که بدون استفاده از نمونه‌های ساخته شده، هر آنچه را که می‌تواند در واقعیت اتفاق بیافتد، ببیند و شبیه‌سازی کند. علاوه بر شبیه‌سازی، hpc می‌تواند آن را تجزیه و تحلیل کرده، نقاط ضعف و قوت را بسنجد؛ عیوب و اشتباهات را تصحیح کند؛ آن را بازطراحی کند و دوباره نتیجه کار را ببیند.
این یک واقعیت مجازی (Virtual Reality) است که همۀ توان علمی انسانِ امروز را در قالب یک نرم‌افزار (که آن هم ابداعِ خودِ انسان است) جمع‌آوری می‌کند. این نرم‌افزارها قادرند با میلیون‌ها و حتی میلیارد‌ها محاسبه‌ای که بر روی داده‌ها انجام می‌دهند (و همه نتایج اولیه را مجدداً و میلیون‌ها بار مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهند)، یک نتیجه را به عنوان خروجی نهایی در اختیار ما قرار دهند. علی‌القاعده، این حجم از عملیات محاسباتی، فراتر از قدرت ذهن انسانی است؛ اما راه حل آن، سیستم‌های پیشرفته کامپیوتری، ابر کامپیوترها (Super Computers) یا همان سیستم‌های مبتنی بر پردازش داده موازی HPC است.
سیستم HPC یا رایانش با عملکرد بالا، سه جزء اصلی دارد :
رایانش
شبکه
ذخیره سازی
برای ساخت یک معماری رایانشی با کارایی بالا، سرورهای رایانشی بایستی به صورت خوشه‌ای با یکدیگر شبکه شوند. همچنین برنامه‌ها و الگوریتم‌های نرم‌افزاری هم به طور همزمان روی سرورهای موجود در خوشه اجرا می‌شوند. این خوشه برای ذخیرۀ خروجی به شبکه ذخیره‌سازی داده متصل است. این اجزاء به صورت یکپارچه با هم عمل می‌کنند تا مجموعه‌های مختلفی از وظایف را انجام دهند.
برای بهره‌وری حداکثری، هر یک از اجزای سازنده بایستی همگام با سایر قطعات عمل کند. برای مثال، هر کدام از عناصر تشکیل دهندۀ ذخیره‌سازی باید بتوانند داده‌ها را از سرورهای رایانشی به سرعت پردازش کند. به همین ترتیب، اجزای شبکه بایستی بتوانند از انتقال سریع داده‌ها بین سرورهای رایانشی و ذخیره اطلاعات پشتیبانی کنند و اگر یکی از اجزای آن با مابقی نتواند هماهنگ شود، عملکرد کل زیرساخت HPC دچار آسیب می‌شود.
اکوسیستم مدرن پُر از داده‌ها و ابزارهای محاسباتی فشرده برای تجزیه و تحلیل آن است. HPC با پردازش این داده‌ها در زمان مناسب به نوآوری و ایجاد بینش در کسب‌وکارهای مختلفی کمک می‌کند. وجود پردازش‌های فوق سریع این امکان را در اختیار شرکت‌ها قرار می‌دهد تا سناریوهای کسب‌وکار و نوسانات بازار را به راحتی پیش‌بینی کرده و مطابق با آن‌ها برای اهداف خود تصمیم‌گیری کنند. حوزه پزشکی نیز با دسترسی آسان HPC به ابر، به شدت در حال تحول است. قابلیت پردازش‌های فوق سریع، به مدل‌سازی شیوع بیماری، رمزگشایی ژنوم سلول‌های سرطانی و درک چگونگی پیشرفت بیماری‌ها کمک می‌کند.
اپلیکیشن‌های HPC کم کم به‌طور عمومی با اپلیکیشن‌های هوش مصنوعی و خصوصاً با اپلیکیشن‌های یادگیری ماشین و یادگیری عمیق مترادف شده‌اند.
به طور کلی، اپلیکیشن‌های HPC در عرصه‌های زیر به طور مداوم در حال نوآوری و پیشرفت هستند:
خدمات درمانی، ژنومیک و علوم زیستی
خوب است بدانید که اولین تلاش‌ها برای توالی‌سازی ژنوم انسان ۱۳ سال طول کشیده است. امروزه سیستم‌های HPC قادرند در کمتر از یک روز این کار را انجام دهند. سایر اپلیکیشن‌های HPC در حوزه خدمات درمانی و علوم زیستی شامل کشف و طراحی دارو، تشخیص سریع سرطان و مدل‌سازی مولکولی می‌شود.
خدمات مالی
Hpc کاربردهای فراوانی در حوزه خدمات مالی دارد. از جمله کاربردهای HPC در این حوزه می‌توان به خودکارسازی معاملات، تشخیص تقلب و همچنین تقویت اپلیکیشن‌هایی در شبیه‌سازی Monte Carlo و سایر روش‌های تحلیل ریسک اشاره کرد.
دولتی و دفاعی
پیش‌بینی آب‌وهوا و مدل‌سازی‌های اقلیمی از جمله کاربردهای در حال گسترش HPC هستند که هر دو شامل پردازش میزان زیادی از داده‌های هواشناسی تاریخی و میلیون‌ها تغییر روزانه در نقاط داده مرتبط با آب‌وهوا می‌شوند. تحقیق‌های انرژی و کارهای اطلاعاتی نیز از جمله کاربردهای دیگر HPC در حوزه دولتی و دفاعی است.
انرژی
از کاربردهای HPC در حوزه انرژی می‌توان به پردازش داده‌های لرزه‌ای، مدل‌سازی و شبیه‌سازی مخزن، تجزیه و تحلیل مکانی، شبیه‌سازی باد و نقشه‌برداری زمین اشاره کرد. شایان ذکر است که کاربردهای HPC مرتبط با انرژی در بعضی از موارد با کاربردهای دولتی و دفاعی هم‌پوشانی دارد.
این موارد و سایر مواردی از این دست، تنها قسمتی از کاربردهای این تکنولوژی در حال حاضر است. با توجه به روند پیشرفتی که این فناوری از خود نشان داده است، می‌توان پیش‌بینی نمود ارزشی که HPC برای کسب‌وکارهای آینده خلق خواهد کرد، از این هم شگفت‌انگیزتر باشد و در حیطه‌های گسترده‌تری هم مورد استفاده قرار گیرد.
