سوپر کامپیوتر چیست و برترین سوپر کامپیوترهای دنیا کدامند؟

در دیکشنری، سوپر کامپیوتر به عنوان یک کامپیوتر مین فریم (Mainframe) بسیار قدرتمند تعریف می‌شود. اما به صورت عامیانه یک سوپر کامپیوتر چیست و سوپر کامپیوترها چه تفاوت‌هایی با سیستم‌های کامپیوتری عادی دارند؟

منظور از قدرت سوپر کامپیوتر تعداد اعمالی است که می‌تواند در هر ثانیه پردازش کند. قدرت پردازشی همواره عنوان اصلی‌ترین ملاک ارزیابی قدرت سوپر کامپیوترها به شمار آمده و دانشمندان نیز برای ساخت دستگاه‌های بهتر، همواره بر روی بهبود همین فاکتور تمرکز می‌کنند.

جالب است بدانید سرعت پردازشی کامپیوترهای شخصی و خانگی امروز، چندین برابر سوپر کامپیوترهای مورد استفاده در چند دهه قبل است. با مقایسه مین فریم‌های امروزی و قدیمی، به تفاوتی خیره‌کننده در قدرت سیستم‌های جدید پی خواهیم برد. اما بهتر است پیش از مقایسه قدرت پردازشی مین فریم‌های قدیمی و امروزی، ابتدا تعریف دقیق‌تری از سوپر کامپیوتر داشته باشیم. آیا سوپر کامپیوتر فقط به معنی یک سیستم دارای سرعت پردازش بیشتر است؟

قدرتمندترین سوپر کامپیوتر دنیا

برای سال‌های طولانی، آمریکا، چین و ژاپن بر سر تصاحب عنوان کشور دارنده سریع‌ترین سوپر کامپیوتر دنیا با یکدیگر رقابت می‌کردند. منظور از سریع در اینجا تعداد پتافلاپ‌هایی است که سیستم کامپیوتری قادر به انجام آن است. یک پتافلاپ برابر هزار ترافلاپ است. به عبارت دیگر باید آن را مساوی یک کوآدریلیون عمل در هر ثانیه دانست! کوآدریلیون، عدد یک به همراه پانزده صفر در جلوی آن است.

تا سال 2013، دو سوپر کامپیوتر قدرتمند دنیا Cray Titan و IBM Sequoia بودند که به ترتیب می‌توانستند در هر ثانیه 17.59 و 17.17 پتافلاپ را انجام بدهند. در همان سال، چین سوپر کامپیوتر NUDT Tianhe-2 را با قدرت 33.86 پتافلاپ معرفی کرد! این سیستم تا سال 2016 در دنیای سوپر کامپیوترها پادشاهی می‌کرد، تا وقتی که Sunway TaihuLight رکورد قبلی را به میزانی باورنکردنی بهبود بخشید و جایگاه قدرتمندترین سیستم کامپیوتری دنیا را با توان 93.01 پتافلاپ از آن خود کرد! این سیستم نیز در چین واقع شده است.

طبق انتظارات، قدرتمندترین سوپر کامپیوتر بعدی Summit خواهد بود که همانند Cray Titan در آزمایشگاه Oak Ridge متعلق به آمریکا واقع شده و پیش‌بینی می‌شود در تابستان سال جاری آغاز به کار کند.

نگاهی عمیق‌تر به سوپر کامپیوترها

اکنون که می‌دانیم پادشاه دنیای سیستم‌های کامپیوتری کدام دستگاه است، نگاهی نزدیکتر به سوپر کامپیوترها خواهیم داشت. در اینجا Sunway Taihulight را بیشتر زیر ذره‌بین قرار می‌دهیم. Taihulight یک سیستم کامپیوتری دارای قدرت پردازشی بسیار بهینه بوده و پردازنده آن دارای معماری زیر است:

• پردازنده‌های 1.45 GHz SW26010 که هر کدام متشکل از چهار گروه از هسته‌ها هستند
• هر گروه متشکل از 65 هسته بوده و در هر نود به صورت مجموع 260 هسته وجود دارد
•  هر کابین سیستم از 1024 نود تشکیل می‌شود
• کل سیستم دارای 40 کابین است

به منظور متصل کردن تمامی کابین‌ها به یکدیگر، سازنده آن‌ها را به وسیله اتصال‌های PCIe 3.0 به صورت شبکه به یکدیگر وصل کرده است. در اصطلاحات تخصصی، این نوع اتصال را سان‌وی نتورک (Sunway Network) خطاب می‌کنند.

این شبکه سوییچ‌ها، سخت افزارهای اشتراک‌گذاری شبکه و تمامی سوپر نودها را از طریق کابل‌های 7 اینچی به یکدیگر متصل می‌کند. نرخ انتقال داده از درون این کابل‌ها برابر 70 ترابایت در هر ثانیه است.

در ادامه، لیست ده سوپر کامپیوتر برتر دنیا را مشاهده خواهیم کرد. تمامی آن‌ها متعلق به کشورهای آمریکا، ژاپن و چین بوده و تنها یک مورد در کشور سوییس قرار دارد.

1. Sunway TaihuLight (چین): ده میلیون و ششصد و چهل و نه هزار و ششصد هسته، توان نود و سه هزار و چهارده ترافلاپ (تعداد هسته: 10,649,600 | توان: 93,014 ترافلاپ)
2. Tianhe-2 MilkyWay-2 (چین): سه میلیون و صد و بیست هزار هسته، توان سی و سه هزار و نهصد و شصت و دو ترافلاپ (تعداد هسته: 3,120,000 | توان: 33,962 ترافلاپ)
3. Piz Daint (سوییس): سیصد و شصت و یک هزار و هفتصد و شصت هسته، توان نوزده هزار و پانصد و نود ترافلاپ (تعداد هسته: 361,760 | توان: 19,590 ترافلاپ)
4. Gyoukou (ژاپن): نوزده میلیون و هشتصد و شصت هزار هسته، توان نوزده هزار و صد و سی شش تررافلاپ (تعداد هسته: 19,860,000 | توان: 19,136 ترافلاپ)
5. Titan (آمریکا): پانصد و شصت هزار و ششصد و چهل هسته، توان هفده هزار و پانصد و نود ترافلاپ (تعداد هسته: 560,640 | توان: 17,590 ترافلاپ)
6. Sequoia (آمریکا): یک میلیون و پانصد و هفتاد و دو هزار و هشتصد و شصت و چهار هسته، توان هفده هزار و صد و هفتاد و سه ترافلاپ (تعداد هسته: 1,572,864 | توان: 17,173 ترافلاپ)
7. Trinity (آمریکا): نهصد و هفتاد و نه هزار و نهصد و شصت و هشت هسته، توان چهارده هزار و صد و هفتاد و سه ترافلاپ (تعداد هسته: 979,968 | توان: 14,137 ترافلاپ)
8.  Cori (آمریکا): ششصد و بیست و دو هزار و سیصد و سی و شش هسته، توان چهارده هزار و پانزده ترافلاپ (تعداد هسته: 622,336 | توان: 14,015 ترافلاپ)
9. Oakforest-PACS (ژاپن): پانصد و پنجاه و شش هزار و صد و چهار هسته، توان سیزده هزار و پانصد و پنجاه و پنج ترافلاپ (تعداد هسته: 556,104 | توان: 13,555 ترافلاپ)
10. K Computer – Sparc64 (ژاپن): هفتصد و پنج هزار و بیست و چهار هسته، توان ده هزار و پانصد و ده ترافلاپ (تعداد هسته: 705,024 | توان: 10,510 ترافلاپ)

فراموش نکنید این‌ها تنها سوپر کامپیوترهای موجود در دنیا نبوده و شرکت‌های دولتی و خصوصی بسیار بزرگ و همچنین سازمان‌های نظامی و‌ آزمایشگاه‌های تحقیقاتی زیادی در سراسر دنیا برای سرعت دادن به پیشرفت تحقیقات خود از سوپر کامپیوتر استفاده می‌کنند.

در اینجا نیز همان اصطلاح قدیمی “پول، پول می‌آورد” برقرار است، به این معنی که شرکت‌های دارای توان ساخت سوپر کامپیوترها قادر هستند درآمدزایی فوق‌العاده‌ای داشته باشند!

کاربرد سوپر کامپیوترها

چرا یک شرکت یا سازمان به سیستم کامپیوتری با توان پردازش پتافلاپ نیاز پیدا می‌کند؟ واقعیت این است که برخی صنایع امروز به حدی پیشرفته کرده‌اند که نیاز به پردازش داده‌های عظیم با سرعت بالا در آن‌ها حس می‌شود. به عنوان نمونه می‌توان به صنایع نظامی اشاره کرد. تعداد قابل توجهی از سوپر کامپیوترها در سازمان‌های نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بر اساس تحقیقی که در سال 2014 انجام شد، به برخی سناریوهایی که در آن‌ها به استفاده از سوپر کامپیوترها نیاز است، اشاره شد. در ادامه به تعدادی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

صنعت

• جنرال الکتریک به عنوان یکی از شرکت‌های پیشرو در صنعت هوافضا، در همکاری با آزمایشگاه Oak Ridge آمریکا شبیه‌سازهای موتور جت بسیار پیشرفته‌ای تولید می‌کند. با استفاده از این شبیه‌سازی‌ها شرکت قادر می‌شود روز به روز کارایی موتورهای جت خود را بهبود ببخشد.
• دانشمندان در آزمایشگاه Lawrence Livermore از سوپر کامپیوترها به منظور توسعه تکنیکی جدید برای جمع‌آوری داده‌های مربوط به زیر دریا استفاده می‌کردند. این کار کمک زیادی به صنعت نفت و گاز آمریکا کرد، چرا که ذخایر نفتی جدیدی در اطراف کشور خود پیدا کرده و از اتکا به نفت سایر کشورها به میزان زیادی بی‌نیاز شدند.
•  مهندسان شرکت بوئینگ به وسیله سوپر کامپیوترها شبیه‌سازهای پرواز را به وجود آوردند که نتیجه آن دستیابی به طراحی آیرودینامیکی بهتر بود.

دولت

• مراکز کنترل بیماری و دانشگاه کرنل، به منظور ساخت مدلی با جزییات فراوان از ویروس هپاتیت سی که با استفاده از سوپر کامپیوترها انجام می‌شد، با یکدیگر همکاری کردند. با استفاده از این سیستم‌های کامپیوتری غول پیکر در دانشگاه کرنل، محققان توانستند روشی جدید به منظور درمان توسعه بدهند که به جامعه پزشکی کمک می‌کرد هپاتیت را در بیماران از بین برده و یا شدت آن را به میزان زیادی کاهش بدهند.
• وزارت دفاع آمریکا از یک سوپر کامپیوتر به منظور توسعه مدل‌های آب و هوایی جدید استفاده کرد. این مدل‌ها به هواشناس‌ها کمک می‌کردند دقیق‌تر وقوع طوفان‌ها و گردبادهای خطرناک را پیش‌بینی کنند. به لطف مدل‌های بسیار پیشرفته طراحی شده توسط سوپر کامپیوترها، هواشناس‌ها قادر شده بودند تا پنج روز پیش از وقوع خطر آن را پیش‌بینی کنند.

نظامی

• ارتش آمریکا در آزمایشگاه Army Research Laboratory از سوپر کامپیوترها به منظور شبیه‌سازی صحنه‌های جنگ و انفجار استفاده می‌کند. به این ترتیب به جای صرف میلیاردها دلار هزینه به منظور اجرای رزمایش‌های نظامی و آزمایش موشک‌ها و سایر ابزار آلات جنگی، به شیوه‌ای کاملا دقیق و نزدیک به واقعیت آزمایش‌های تخریب به صورت زنده اجرا می‌شوند.
• یکی از غیر متداول‌ترین سوپر کامپیوترهایی که تا امروز توسط ارتش آمریکا مورد استفاده قرار گرفته است، Condor Cluster نام داشته و در سال 2010 توسط نیروی هوایی این کشور ساخته شد. مهندسان نیروی هوایی، هزار و هفتصد و شصت کنسول پلی استیشن 3 سونی را کنار یکدیگر قرار دادند تا هسته‌های پردازشی مورد نیاز برای سوپر کامپیوتر مورد نظرشان فراهم شود! سیستم نهایی دارای توان 500 ترافلاپ بود و از آن برای الگوشناسی، پردازش تصاویر ماهواره‌ای و انجام تحقیقات در زمینه هوش مصنوعی استفاده می‌شد.

ما در اینجا به نمونه‌هایی از کاربرد کامپیوترهای غول پیکر تنها در چند زمینه خاص اشاره کردیم. امروز سوپر کامپیوترها می‌توانند در هر صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و از نظر کاربرد، محدودیتی برایشان وجود ندارد.

کامپیوترهای کوآنتومی

پیشرفت در دنیای سوپر کامپیوترها و دست پیدا کردن به سیستم‌هایی با سرعت بیشتر، نتیجه مستقیم افزایش تعداد ترانزیستورهای قرار گرفته درون میکروپردازنده‌ها است. این تنها مورد نبوده و با وجود افزایش تعداد ترانزیستورها، روز به روز ابعاد میکروپردازنده‌ها نیز کمتر می‌شود. از آنجایی که این میکرومدارها روز به روز کوچکتر از قبل می‌شوند، به عقیده بسیاری از دانشمندان، نسل بعدی سوپر کامپیوترها کامپیوترهای کوآنتومی خواهند بود.

پردازش کوآنتومی را باید یک تکنولوژی کامپیوتر منحصربه‌فرد دانست. در آن به جای میکروپردازنده‌های مبتنی بر ترانزیستور، دانشمندان با ذرات زیر اتمی سر و کار دارند.

برخی از ذرت زیر اتمی مورد استفاده در اینجا، تنها طی چند سال اخیر کشف شده‌اند. با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته و کنترل این ذرات تلاش می‌شود حالت 0 و 1 ترانزیستورهای متداول با وضعیت 0 و 1 مشابهی در ذرات زیر اتمی جایگزین شود. از این حالت ذرات با عنوان کوآنتوم بیتس یا کوبیتس یاد می‌کنند.

یک بخش بسیار عجیب درباره کامپیوترهای کوآنتومی، تعدد حالت‌های ذرات زیر اتمی است. در پایین‌ترین لایه‌های سیستم‌های کامپیوتری، همانند چیزی که تا امروز ترانزیستورها برای ما فراهم می‌کردند، تنها با دو حالت 0 و 1 سر و کار داریم، اما تعدد حالت‌های ذرات زیر اتمی احتمالا به سیستم‌های کامپیوتری اجازه خواهد داد مقادیری بیشتر از 0 و 1 ذخیره کنند!

سوپر کامپیوترهای کوآنتومی کنونی

هنوز هیچ کامپیوتر کوآنتومی به صورت پایدار و قابل استفاده بدون مشکل، ارائه نشده است، به همین دلیل تا امروز اخبار زیادی پیرامون آن‌ها نشنیده‌ایم. البته شرکت آی بی ام، دسترسی آنلاین به یک سیستم 20 کوبیتسی را برای دانشمندان فراهم کرده است. محققان از کامپیوترهای کوآنتومی به منظور انجام محاسباتی مشخص و برخی آنالیزها استفاده می‌کنند که یکی از آن‌ها شبیه‌سازی‌های شیمیایی است.

در حال حاضر سیستم‌های کامپیوتری کوآنتومی کاملا غیر پایدار بوده و به صورت عملی نمی‌توان از آن‌ها استفاده کرد، برخلاف سوپر کامپیوترهای متداول که سال‌ها است در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.