الحوسبة عالية الأداء

الحوسبة عالية الأداء ( HPC ) هي استخدام الحواسيب العملاقة ومجموعات الحواسيب لحل المشكلات المتقدمة.

يدمج الحوسبة عالية الأداء (HPC) إدارة الأنظمة (بما في ذلك معرفة الشبكات والأمن)، والحوسبة المتوازية ، والحوسبة الموزعة في مجال متعدد التخصصات يجمع بين الإلكترونيات الرقمية ، وهندسة الحاسوب ، وبرمجيات النظام ، ولغات البرمجة ، والخوارزميات ، والتقنيات الحسابية. ^{[ 1 ]} تُعد تقنيات الحوسبة عالية الأداء الأدوات والأنظمة المستخدمة لتنفيذ وإنشاء أنظمة حوسبة عالية الأداء. ^{[ 2 ]} منذ حوالي عام 2005، تحولت أنظمة الحوسبة عالية الأداء من الحوسبة الفائقة إلى مجموعات الحوسبة وشبكاتها . [ ^{1 ] نظرًا} للحاجة إلى الشبكات في المجموعات والشبكات، يتم تحقيق تقنيات الحوسبة عالية الأداء باستخدام بنية أساسية شبكية مُدمجة ، لأن بنية البنية الأساسية المُدمجة سهلة الاستكشاف والإصلاح، ويمكن تطبيق الترقيات على جهاز توجيه واحد بدلاً من عدة أجهزة. تتكامل الحوسبة عالية الأداء مع تحليلات البيانات في سير عمل هندسة الذكاء الاصطناعي لتوليد تدفقات بيانات جديدة تُعزز قدرة المحاكاة على الإجابة عن أسئلة "ماذا لو". ^{[ 3 ]}

يرتبط هذا المصطلح عادةً بالحوسبة المستخدمة في البحث العلمي أو العلوم الحاسوبية . ويشير مصطلح ذو صلة، وهو الحوسبة التقنية عالية الأداء (HPTC)، عمومًا إلى التطبيقات الهندسية للحوسبة القائمة على المجموعات الحاسوبية (مثل ديناميكيات الموائع الحسابية وبناء واختبار النماذج الأولية الافتراضية ). كما طُبقت الحوسبة عالية الأداء في استخدامات تجارية مثل مستودعات البيانات ، وتطبيقات خطوط الأعمال ، ومعالجة المعاملات .

ظهر مصطلح الحوسبة عالية الأداء (HPC) بعد مصطلح "الحوسبة الفائقة". ^{[ 4 ]} يُستخدم مصطلح HPC أحيانًا كمرادف للحوسبة الفائقة؛ ولكن في سياقات أخرى، يُستخدم مصطلح "الحاسوب الفائق" للإشارة إلى مجموعة فرعية أكثر قوة من "الحواسيب عالية الأداء"، ويصبح مصطلح "الحوسبة الفائقة" جزءًا من "الحوسبة عالية الأداء". ومن الواضح إمكانية حدوث لبس في استخدام هذه المصطلحات.

نظرًا لأن معظم التطبيقات الحالية غير مصممة لتقنيات الحوسبة عالية الأداء، بل يتم تعديلها لاحقًا، فإنها لا تُصمم أو تُختبر للتوسع إلى معالجات أو أجهزة أكثر قوة. ^{[ 2 ]} وبما أن مجموعات وشبكات الحوسبة تستخدم معالجات وأجهزة حاسوب متعددة ، فإن مشاكل التوسع هذه قد تُعيق الأنظمة الحيوية في أنظمة الحوسبة الفائقة المستقبلية. لذلك، إما أن الأدوات الحالية لا تلبي احتياجات مجتمع الحوسبة عالية الأداء، أو أن هذا المجتمع غير مُلمّ بهذه الأدوات. ^{[ 2 ]} ومن الأمثلة على تقنيات الحوسبة عالية الأداء التجارية ما يلي:

• الهندسة الإنشائية لتصميم المباني
• محاكاة حوادث السيارات لأغراض التصميم الهيكلي
• التفاعل الجزيئي لتصميم الأدوية الجديدة
• تدفق الهواء فوق السيارات أو الطائرات
• نمذجة المناخ والتنبؤ بالطقس
• البحوث الجينية وتسلسل الحمض النووي
• تطوير الروبوتات والمركبات ذاتية القيادة
• محاكاة كهرومغناطيسية للاتصالات اللاسلكية

في المؤسسات الحكومية والبحثية، يُجري العلماء محاكاة لتكوين المجرات وتطورها ، وطاقة الاندماج النووي، والاحتباس الحراري، كما يعملون على تطوير تنبؤات جوية أكثر دقة على المدى القريب والبعيد. ^{[ 5 ]} وقد قام حاسوب IBM Roadrunner العملاق، الذي كان يحتل المرتبة العاشرة بين أقوى الحواسيب العملاقة في العالم عام 2008 (والموجود في مختبر لوس ألاموس الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية )، ^{[ 6 ]} بمحاكاة أداء الأسلحة النووية وسلامتها وموثوقيتها، واعتماد فعاليتها. ^{[ 7 ]}

يُصنّف تصنيف TOP500 أسرع 500 حاسوب عالي الأداء في العالم، وفقًا لاختبار الأداء العالي LINPACK (HPL). لا تُصنّف جميع الحواسيب الموجودة، إما لعدم أهليتها (كعدم قدرتها على تشغيل اختبار HPL) أو لعدم تقديم مالكيها لنتائج اختبار HPL (كعدم رغبتهم في الكشف عن حجم أنظمتهم لأسباب أمنية). إضافةً إلى ذلك، يُعدّ استخدام اختبار LINPACK وحده مثيرًا للجدل، إذ لا يُمكن لأي مقياس بمفرده اختبار جميع جوانب الحاسوب عالي الأداء. وللتغلب على قيود اختبار LINPACK، كلّفت الحكومة الأمريكية أحد مُبتكريه، جاك دونغارا من جامعة تينيسي، بإنشاء مجموعة من اختبارات الأداء التي تشمل LINPACK وغيرها، تُعرف باسم مجموعة اختبارات HPC Challenge. استُخدمت هذه المجموعة المتطورة في بعض عمليات شراء الحواسيب عالية الأداء، ولكن نظرًا لعدم إمكانية اختزالها إلى رقم واحد، لم تتمكن من التغلب على ميزة الدعاية التي يُتيحها اختبار TOP500 LINPACK الأقل فائدة. يتم تحديث قائمة TOP500 مرتين في السنة، مرة في يونيو في مؤتمر ISC الأوروبي للحوسبة الفائقة ومرة ​​أخرى في مؤتمر الحوسبة الفائقة في الولايات المتحدة في نوفمبر.

تم استعارة العديد من الأفكار الخاصة بالموجة الجديدة من الحوسبة الشبكية من الحوسبة عالية الأداء (HPC).

تقليديًا، اعتمدت الحوسبة عالية الأداء على بنية تحتية محلية ، واستثمرت في الحواسيب العملاقة أو مجموعات الحواسيب. خلال العقد الماضي، ازدادت شعبية الحوسبة السحابية لتوفيرها موارد حاسوبية للقطاع التجاري بغض النظر عن قدراته الاستثمارية. ^{[ 8 ]} كما أثارت بعض الخصائص، مثل قابلية التوسع وتقنية الحاويات، اهتمامًا في الأوساط الأكاديمية. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، لا تزال مخاوف الأمن في الحوسبة السحابية ، مثل سرية البيانات، تُؤخذ في الاعتبار عند الاختيار بين موارد الحوسبة عالية الأداء السحابية أو المحلية. ^{[ 8 ]}

فيما يلي قائمة بأهم مراكز الحوسبة عالية الأداء حسب قوة الحوسبة، كما ورد في قائمة Top500: ^{[ 10 ]}

• إل كابيتان : يصل نظام HPE Cray EX255a هذا إلى 1.742 إكسا فلوبس، ويضم 1,051,392 نواة معالجة مركزية و9,988,224 نواة تسريع، بإجمالي 11,039,616 نواة. يستخدم تقنية الربط البيني Slingshot-11 ، ويقع في مختبر لورانس ليفرمور الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية . ^{[ 11 ]}

• فرونتير : يتميز نظام HPE Cray EX235a هذا بقدرة معالجة تبلغ 1.353 إكسا فلوبس، ويضم 614,656 نواة معالجة مركزية و8,451,520 نواة تسريع، ليصبح المجموع 9,066,176 نواة. ويعمل النظام مع وصلات Slingshot-11 في مختبر أوك ريدج الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية. ^{[ 12 ]}

• أورورا : يوفر هذا النظام المدعوم بمعالجات إنتل أداءً يصل إلى 1.012 إكسا فلوبس، مستفيدًا من معماريتي زيون وبونتي فيكيو. وهو مثبت في مختبر أرغون الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية. ^{[ 13 ]}

• إيجل: يعمل بمعالجات Intel Xeon Platinum 8480C ثماني النواة بتردد 2 جيجاهرتز ووحدات معالجة الرسومات NVIDIA H100، ويصل إلى قوة حوسبة تبلغ 561.20 بيتافلوب، مع 2,073,600 نواة. يتميز بتقنية NVIDIA Infiniband NDR للاتصال فائق السرعة، ويتم استضافته على منصة Microsoft Azure في الولايات المتحدة الأمريكية. ^{[ 14 ]}

• HPC6 : أقوى حاسوب فائق صناعي في العالم، طُوّر بواسطة شركة إيني وأُطلق في نوفمبر 2024. بقوة حاسوبية تبلغ 606 بيتافلوب، يُستخدم في أبحاث الطاقة ويعمل في إيطاليا . يقع في مركز بيانات إيني الأخضر في فيريرا إربونيوني (PV). ^{[ 15 ]}

• فوغاكو : نظام طورته شركة فوجيتسو ، ويحقق أداءً يصل إلى 442.01 بيتافلوب باستخدام معالجات A64FX ثمانية وأربعين نواة بتردد 2.2 جيجاهرتز وتقنية الربط البيني Tofu D. يقع هذا النظام في مركز ريكين للعلوم الحاسوبية في اليابان . ^{[ 16 ]}

• ألبس : يصل نظام HPE Cray EX254n هذا إلى 434.90 بيتافلوب، مدعومًا بمعالجات NVIDIA Grace 72C بسرعة 3.1 جيجاهرتز ووحدات NVIDIA GH200 Superchips، متصلة عبر وصلات Slingshot-11. يقع هذا النظام في مركز CSCS ، سويسرا . ^{[ 17 ]}

• لومي : أحد أسرع الحواسيب العملاقة في أوروبا، يحقق لومي أداءً يصل إلى 379.70 بيتافلوب باستخدام معالجات AMD EPYC 64C 2GHz من الجيل الثالث المحسّنة ومسرعات AMD Instinct MI250X. يستضيفه مركز الحوسبة السحابية (CSC) في فنلندا ، كجزء من مبادرة EuroHPC . ^{[ 18 ]}

• ليوناردو : طُوّر هذا النظام، BullSequana XH2000، ضمن مبادرة EuroHPC، ويصل إلى قدرة معالجة تبلغ 241.20 بيتافلوب باستخدام معالجات Xeon Platinum 8358 ثنائية النواة بتردد 2.6 جيجاهرتز ومسرعات NVIDIA A100 SXM4 بسعة 64 جيجابايت. وهو مُثبّت في مركز CINECA بإيطاليا . ^{[ 19 ]}

• تولومني: يحقق تولومني قدرة حسابية تبلغ 208.10 بيتافلوب، ويعمل بمعالجات AMD EPYC من الجيل الرابع بتردد 1.8 جيجاهرتز ومعالجات AMD Instinct MI300A. ويعمل في مختبر لورانس ليفرمور الوطني بالولايات المتحدة الأمريكية. ^{[ 20 ]}

• نظام MareNostrum 5 ACC: يعمل هذا النظام من طراز BullSequana XH3000 بقدرة 175.30 بيتافلوب، ويضم معالجات Xeon Platinum 8460Y+ ثنائية النواة بتردد 2.3 جيجاهرتز ومسرعات NVIDIA H100 بسعة 64 جيجابايت. ويستضيفه مركز برشلونة للحوسبة الفائقة (BSC) في إسبانيا ، كجزء من مشروع EuroHPC. ^{[ 21 ]}

• HPCwire
• أفضل 500 حاسوب فائق
• مجموعات روكس: مجموعات لينكس مفتوحة المصدر عالية الأداء
• مقالات إخبارية وتقارير سياساتية حول الحوسبة العلمية عالية الأداء
• مركز نمذجة المناعة ضد مسببات الأمراض المعوية (MIEP)
• فن الحوسبة عالية الأداء: كتب دراسية من تأليف فيكتور إيخهوت من مركز الحوسبة المتقدمة (TACC).
  • المجلد الأول: علم الحوسبة
  • المجلد الثاني: البرمجة المتوازية للعلوم والهندسة
  • المجلد 3: مقدمة في البرمجة العلمية بلغة C++17/Fortran2008
  • المجلد 4: دروس تعليمية للحوسبة العلمية عالية الأداء