محاسبات سریع (High Performance Computing)

محاسبات سریع
« خواستگاه، جایگاه و چشم‌اندازها »

 مصطفی محمدرضایی، دپارتمان محاسبات سریع، پژوهش‌سرای فارابی

 روش‌های پیشبرد علم

از دیر باز بشر با روش کوشش و خطا و با تکیه بر تحلیل‌های نه چندان علمی و منسجم، سعی در تسخیر طبیعت داشته‌ است. در سده‌های اخیر با ظهور روش‌های علمی، قلمرو دانش بشری به طور خیره کننده‌ای گسترش یافته است. ابتدا دانشمندان دریافتند که باید اندیشه‌های خود را به بوته‌ی آزمایش بسپارند؛ سپس با تکیه بر تجارب قبلی، مسیر خود را به سوی هدف، اصلاح کنند. این گونه بود که روش تجربی پا به عرصه‌ی وجود گذاشت. اما دیری نپایید تا پژوهشگران دریابند که اولاً بعضی از گره‌های علمی را نمی‌توان تنها از طریق آزمایش باز کرد. دوم این که رفتار طبیعت باید به زبان ریاضی فرمول‌بندی شود تا برای همگان قابل استفاده باشد. بنابراین زبان ریاضی به عنوان زبان طبیعت برگزیده شده و تمام قوانین به این زبان ترجمه شد. در دنیای علم، به روش‌های مبتنی بر ریاضیات که سعی در توصیف پدیده‌ها و پیش‌بینی نتایج آزمایش‌ها دارند، روش نظری می‌گویند. در دهه‌های اخیر با اختراع ماشین‌های محاسباتی، دریچه‌ای نو به روی دانش و معرفت بشری گشوده شد. سرعت پیشرفت دانش صد چندان گردید و پیرو آن، کاربرد این ابزار جدید در ارتباطات، جهان پهناور و ناشناخته‌ی گذشته‌ را به دهکده‌ای کوچک بدل کرد. این غول‌های محاسباتی، مسأله‌های لاینحل روش‌های نظری و پژوهش‌های پرهزینه‌ی روش‌های تجربی را به آسانی و ارزانی حل کرده و دنیای ما را به شدت به خود وابسته کردند. امروزه روش‌های مبتنی بر کاربرد ماشین‌های محاسباتی در حل مسائل علمی را روش‌‌‌ محاسباتی می‌گویند و به عنوان سومین روش معتبر پیشبرد علم ـ در کنار روش‌های تجربی و نظری ـ جایگاه ویژه‌ای یافته‌اند.

برنامه‌نویسی کامپیوتری

همان گونه که ریاضیات برای درک و کنترل قوانین طبیعت اختراع شده و توسعه یافته‌اند، زبان‌های برنامه‌نویسی کامپیوتری نیز برای برقراری ارتباط و به خدمت گرفتن ماشین‌های محاسباتی طراحی و اجرا شده‌اند. به نقل از پروفسور فیروز نادری ـ یکی از اعضای برجسته‌ی ناسا ـ فراگیری برنامه‌نویسی کامپیوتری به یکی از ضرورت‌های زندگی بشر در 15 سال آینده تبدیل خواهد شد؛ از این رو نظام آموزشی ایالات متحده‌ی آمریکا، ترویج زبان‌های برنامه‌نویسی کامپیوتری را به عنوان زبان دوم دانش‌آموزان مقطع متوسطه در دستور کار خود قرار داده است. از آنجا که تخصص و سخت‌افزار مورد نیاز این عرصه در حد کافی در کشور ما وجود دارد، پژوهش‌سرای فارابی بر آن است تا با سرمایه‌گذاری در این زمینه، در جهت رشد و تعالی دانش رایانه‌ای معلمان و دانش‌آموزان، گام‌های اساسی بردارد.

پردازنده‌های چند هسته‌ای

در حال حاضر سرعت پردازش ماشین‌های محاسباتی در حد سرسام‌ آوری بالاست. اما روحیه‌ی سیری ناپذیر بشر برای بالا بردن سرعت و نیازهای جدید علمی، انگیزه‌های کافی برای شرکت‌های سازنده‌ی ماشین‌های محاسباتی ایجاد کرده است تا با صرف هزینه‌های هنگفت، سعی در ارتقای دانش فنی ساخت این ابزارها داشته باشند. در حال حاضر از نظر فنی و مهندسی امکان ساخت پردازنده‌هایی که به تنهایی بتوانند تمام نیازهای ما را برآورده کنند وجود ندارد. در همین راستا در هر ماشین محاسباتی از چندین هسته‌ی پردازنده به صورت موازی استفاده می‌شود. بدین معنا که هر هسته انجام بخشی از امور را به عهده می‌گیرد و تقریباً مستقل از سایر هسته‌ها عمل می‌کند.

محاسبات سریع

بسیاری از مسائل علمی و فنی، از چنان پیچیدگی و حجم بالای عملیات محاسباتی برخوردارند که یک ماشین محاسباتی چند هسته‌‌ای نیز قادر به حل آن ها نیست. برای غلبه بر این محدودیت، صدها و گاه هزاران ماشین‌محاسباتی چند هسته‌ای را به هم متصل می‌کنند و یک ابر کامپیوتر می‌سازند؛ سپس همه‌ یا تعدادی از هسته‌های ابرکامپیوتر را به صورت همزمان به کار می‌گیرند. به چنین محاسباتی که به صورت هماهنگ و همزمان، توسط تعدادی هسته‌ی محاسباتی انجام می‌شود محاسبات موازی (Parallel Computing) می‌گویند و شاخه‌ای از علم که هدف آن حداکثر بهره‌وری از ماشین‌های محاسباتی به ویژه ابرکامپیوترهاست، محاسبات سریع (High Performance Computing) نامیده می‌شود. اولین گام در محاسبات سریع، انتخاب و طراحی بهینه‌ی سیستم اتصال کامپیوترها به همدیگر است که اساسا یک بحث سخت‌افزاری است. در گام بعد انتخاب سیستم عامل، زبان برنامه‌نویسی و تکنیک‌های برنامه‌نویسی مناسب اهمیت پیدا می‌کند که تماماً در حوزه‌ی نرم‌افزاری قرار می‌گیرند. به راحتی می‌توان نشان داد که در این حوزه از علم، اهمیت و کارایی بهره‌وری نرم‌افزاری بسیار بیشتر از بهینه‌سازی‌های سخت‌افزای است. بنابراین نیروی انسانی متخصص، بیشترین نقش را در این شاخه برعهده دارد و سخت‌افزار مناسب فقط به عنوان یک مکمل عمل می‌کند؛ به طوری که می‌توان ماشین‌های محاسباتی معمولی را وادار به انجام محاسباتی در حد ابرکامپیوترها کرد. از این روست که با سرمایه‌گذاری در تربیت نیروی انسانی ماهر می توان دوشادوش کشورهای توسعه‌یافته در این شاخه از علم گام برداشت.

چشم‌انداز دپارتمان محاسبات سریع پژوهش‌سرای فارابی

پژوهش‌سرای فارابی به پشتوانه‌ی نیروی‌های متخصص و سخت‌افزارهای کافی، دپارتمان محاسبات سریع خود را مامور به ترویج و ارتقای دانش علوم محاسباتی معلمان و دانش‌آموزان کرده است. در همین راستا  دپارتمان محاسبات سریع عملکرد نهاد‌های مشابه در سایر کشورها را نیز به دقت رصد خواهد کرد و با الگو برداری از تجارب موفق کشورهای پیشرو، سعی در بهبود روش‌های دستیابی به این مهم خواهد نمود. پر واضح است که این اهداف زمانی جامه‌ی عمل خواهند پوشید که ارتباط و همکاری‌های تنگاتنگی میان پژوهش‌سرای فارابی و سایر مؤسسات همکار، در سطح ملی و بین‌المللی ایجاد شود. مدیریت پژوهش‌سرای فارابی در زمینه‌ی ایجاد و حفظ این گونه همکاری‌ها برنامه‌های متعددی دارد و بدین وسیله از تمامی مراکز داخلی و خارجی علاقمند دعوت به همکاری می‌نماید.

 

جوابی بنویسید

ایمیل شما نشر نخواهد شد