ما المقصود بالحوسبة العالية الأداء (HPC)؟
تشير الحوسبة عالية الأداء (HPC) إلى ممارسة تجميع قدرة الحوسبة بطريقة توفر قدرة حصانية أعلى بكثير من أجهزة الكمبيوتر والخوادم التقليدية. HPC، أو الحوسبة الفائقة، تشبه الحوسبة اليومية، التي تتميز بقدرة هائلة فحسب. تمثل طريقة لمعالجة كميات هائلة من البيانات بسرعات عالية للغاية باستخدام أجهزة كمبيوتر وأجهزة تخزين متعددة كنسيج متناسق. تجعل HPC من الممكن استكشاف وإيجاد إجابات لبعض من أكبر مشاكل العالم في العلوم والهندسة والأعمال.
واليوم، تُستخدم HPC لحل المشكلات المعقدة وكثيفة الأداء—وتقوم المنظمات بنقل أحمال عمل HPC إلى السحابة بشكل متزايد. تعمل HPC في السحابة على تغيير اقتصاديات تطوير المنتجات والبحوث لأنها تتطلب عددًا أقل من النماذج الأولية وتسريع الاختبار وتقليل الوقت اللازم للتسويق.
كيف تعمل HPC؟
فبعض أحمال العمل، مثل تسلسل DNA، هائلة جدًا بالنسبة لأي كمبيوتر واحد لمعالجتها. تعالج بيئات HPC أو الحوسبة الفائقة هذه التحديات الكبيرة والمعقدة مع نقاط التوصيل (الكمبيوتر) الفردية التي تعمل معًا في مجموعة (مجموعة متصلة) لتنفيذ كميات هائلة من الحوسبة في فترة زمنية قصيرة. يتم غالبًا إنشاء هذه المجموعات وإزالتها تلقائيًا في السحابة لتقليل التكاليف.
يمكن تشغيل HPC على أنواع كثيرة من أحمال العمل، ولكن الأكثر شيوعًا هما أحمال العمل المتوازية على نحو سهل العزل وأحمال العمل المرتبطة بإحكام.
أحمال العمل المتوازية على نحو سهل العزل
تمثل مشاكل حوسبية مقسمة إلى مهام صغيرة وبسيطة ومستقلة يمكن تشغيلها في نفس الوقت، وتكون غالبًا ذات اتصال بسيط أو معدوم بينها. على سبيل المثال، قد تقدم الشركة 100 مليون سجل من سجلات بطاقات الائتمان لذاكرات المعالج الفردية في مجموعة من نقاط التوصيل. تعد معالجة سجل بطاقة ائتمان واحد مهمة صغيرة، وعندما نشر 100 مليون سجل عبر المجموعة، يمكن تنفيذ هذه المهام الصغيرة في نفس الوقت (بالتوازي) بسرعات مذهلة. تتضمن حالات الاستخدام الشائعة عمليات محاكاة المخاطر والنمذجة الجزيئية والبحث السياقي وعمليات محاكاة الخدمات اللوجستية.
أحمال العمل المرتبطة بإحكام
تأخذ عادةً حمل العمل المشترك الضخم وتقسمه إلى مهام أصغر تتصل بشكل مستمر. بمعنى آخر، تتواصل نقاط التوصيل المختلفة في المجموعة مع بعضها البعض أثناء إجراء المعالجة الخاصة بها. تشمل حالات الاستخدام الشائعة ديناميكيات السوائل الحسابية ونمذجة توقعات الطقس وعمليات محاكاة المواد ومحاكاة اصطدام السيارات وعمليات المحاكاة الجغرافية المكانية وإدارة النقل.
لماذا تعد HPC مهمة؟
كانت HPC جزءًا أساسًا من الأبحاث الأكاديمية والابتكار في الصناعة لعقود. تساعد HPC المهندسين وعلماء البيانات والمصممين والباحثين الآخرين على حل المشاكل الكبيرة والمعقدة في وقت أقل بكثير وبتكلفة أقل من الحوسبة التقليدية.
الفوائد الرئيسة من HPC كما يلي:
- انخفاض الاختبار المادي: يمكن استخدام HPC لتكوين عمليات محاكاة، مما يلغي الحاجة إلى اختبارات مادية. على سبيل المثال، عند اختبار حوادث السيارات، من الأسهل بكثير وأقل تكلفة إنشاء محاكاة من إجراء اختبار تحطم.
- السرعة: مع أحدث وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات (GPU) وأنسجة الشبكات منخفضة زمن الوصول مثل الوصول المباشر إلى الذاكرة عن بُعد (RDMA)، بالإضافة إلى أجهزة التخزين المحلي المُستخدم لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة، يمكن لـ HPC إجراء عمليات حسابية هائلة في دقائق بدلًا من أسابيع أو أشهر.
- التكلفة: تعني الإجابات الأسرع وقتًا ومالًا أقل إهدارًا. بالإضافة إلى ذلك، ومع الحوسبة عالية الأداء القائمة على السحابة، يمكن للشركات الصغيرة والشركات الناشئة تحمل تكاليف تشغيل أحمال عمل الحوسبة عالية الأداء، والدفع مقابل ما تستخدمه فحسب والزيادة والخفض حسب الحاجة.
- الابتكار:تعزز HPC الابتكار عبر كل صناعة تقريبًا—تمثل القوة الكامنة وراء الاكتشافات العلمية الرائدة التي تحسن جودة الحياة للأشخاص في جميع أنحاء العالم.
حالة استخدام HPC—ما هي الصناعات التي تستخدم الحوسبة عالية الأداء؟
تستخدم قائمة شركات Fortune 100 في كل صناعة تقريبًا HPC، وتزداد شعبيتها. وفقًا إلى شركة Hyperion Research، من المتوقع أن يصل سوق HPC العالمي إلى 44 مليار دولار بحلول عام 2022.
فيما يلي بعض الصناعات التي تستخدم HPC وأنواع أحمال العمل التي تساعد HPC في تنفيذها:
- الفضاء: إنشاء عمليات محاكاة معقدة، مثل تدفق الهواء فوق أجنحة الطائرات
- التصنيع: تنفيذ عمليات المحاكاة، مثل تلك الخاصة بالقيادة الذاتية، لدعم تصميم المنتجات الجديدة وتصنيعها واختبارها، مما يؤدي إلى سيارات أمن وأجزاء أوضح وعمليات أكثر كفاءة وابتكارات
- التكنولوجيا المالية (fintech): إجراء تحليلات معقدة للمخاطر والتجارة عالية التردد والنمذجة المالية والكشف عن الاحتيال
- علم الجينوم: تسلسل الحمض النووي وتحليل تفاعلات العقاقير وإجراء تحليلات البروتين لدعم دراسات خاصة الأنساب
- الرعاية الصحية: البحث عن الأدوية وإنشاء اللقاحات وتطوير علاجات مبتكرة للأمراض النادرة والشائعة
- الوسائط والترفيه: إنشاء رسوم متحركة، وتقديم تأثيرات خاصة للأفلام، وتحويل ملفات الوسائط الكبيرة إلى صيغة ترميز، وإنشاء ترفيه مؤثر
- النفط والغاز: إجراء تحليلات مكانية واختبار نماذج الخزانات للتنبؤ بمكان وجود موارد النفط والغاز وإجراء عمليات محاكاة مثل تدفق السوائل ومعالجة الزلازل
- البيع بالتجزئة: تحليل كميات هائلة من بيانات العملاء لتقديم توصيات بشأن المنتجات الأكثر استهدافًا وخدمة عملاء أفضل
أين يتم إجراء HPC؟
يمكن إجراء HPC محليًا أو في السحابة أو في نموذج مختلط يتضمن بعضًا من كل منها.
في عملية نشر HPC محليًا، تنشئ مؤسسة أعمال أو مؤسسة أبحاث مجموعة HPC مليئة بالخوادم وحلول التخزين والبنية التحتية الأخرى التي يديرونها ويرقيونها بمرور الوقت. في نشر HPC في السحابة، يدير موفر خدمة السحابة البنية التحتية ويشرف عليها، وتستخدمها المنظمات على نموذج الدفع أولًا بأول.
تستخدم بعض المنظمات عمليات نشر هجينة، وخاصة تلك التي استثمرت في بنية تحتية محلية، لكنها تريد أيضًا الاستفادة من السرعة والمرونة ووفورات التكلفة في السحابة. يمكنهم استخدام السحابة لتشغيل بعض أحمال عمل HPC بشكل مستمر، والانتقال إلى الخدمات السحابية على أساس مخصص، كلما أصبح زمن الانتظار مشكلة في أماكن العمل.
ما التحديات التي تواجه عمليات نشر HPC المحلية؟
تكتسب المنظمات التي لها بيئات HPC محلية قدرًا كبيرًا من التحكم في عملياتها، ولكن يجب عليها مواجهة العديد من التحديات، بما في ذلك ما يلي:
- استثمار رأس مال كبير في معدات الحوسبة، والتي يجب ترقيتها باستمرار
- دفع تكاليف الإدارة المستمرة والتكاليف التشغيلية الأخرى
- حدوث تأخير أو زمن انتظار لأيام إلى شهور قبل أن يتمكن المستخدمون من تشغيل حمل عمل HPC، خاصة عند زيادة الطلب
- تأجيل الترقيات إلى أجهزة حوسبة أكثر فعالية وكفاءة بسبب دورات الشراء الطويلة، مما يبطئ وتيرة البحث والأعمال
يرجع السبب في ذلك جزئيًا إلى تكاليف البيئات المحلية والتحديات الأخرى، أصبحت عمليات نشر الحوسبة عالية الأداء المستندة إلى السحابة أكثر شيوعًا، إذ يتوقع مستقبل أبحاث السوق نمو السوق العالمي بنسبة 21% بين عام 2017 حتى عام 2023. عندما تدير الشركات أحمال عمل HPC الخاصة بها في السحابة، فإنها لا تدفع إلا مقابل ما تستخدمه ويمكنها الزيادة أو الخفض بسرعة مع تغير احتياجاتها.
للفوز بالعملاء والاحتفاظ بهم، يحتفظ أفضل موفري السحابة بتقنيات متطورة مصممة خصيصًا لأحمال عمل HPC، لذلك لا يوجد خطر من انخفاض الأداء مع عمر الأجهزة المحلية. يقدم موفرو الخدمات السحابية أحدث وأسرع وحدات معالجة مركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU)، فضلًا عن وحدات تخزين لمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة بزمن منخفض وشبكات RDMA فائقة السرعة وأمان على مستوى المؤسسات. تتوفر الخدمات طوال اليوم، كل يوم، بقليل من زمن الانتظار أو بدونه.
HPC Cloud—ما الاعتبارات الرئيسة عند اختيار بيئة سحابة؟
لم يتم إنشاء جميع موفري السحابة على قدم المساواة. لم يتم تصميم بعض السحابات لـ HPC ولا يمكن أن توفر الأداء الأمثل خلال فترات الذروة لأحمال العمل الأكثر طلبًا. السمات الأربع التي يجب مراعاتها عند تحديد موفر خدمة سحابية هي كما يلي:
- الأداء الرائد: يجب أن يمتلك موفر السحابة أحدث جيل من المعالجات والتخزين وتقنيات الشبكة ويحتفظ بها. تأكد من أنها توفر سعة كبيرة وأداءً شاملًا يلبي عمليات النشر المحلية النموذجية أو يتجاوزها.
- الخبرة بـ HPC: يجب أن يتمتع موفر الخدمة السحابية الذي تحدده بخبرة عميقة في تشغيل أحمال عمل HPC لمجموعة متنوعة من العملاء. بالإضافة إلى ذلك، يجب تصميم خدمتهم السحابية لتقديم الأداء الأمثل حتى أثناء فترات الذروة، مثل عند تشغيل العديد من عمليات المحاكاة أو النماذج. في العديد من الحالات، توفر مثيلات الحاسبات المخصصة أداءً أكثر اتساقًا وقوة مقارنة بالأجهزة الافتراضية.
- مرونة في الرفع والنقل: تحتاج أحمال عمل HPC إلى التشغيل ذاته في السحابة كما تفعل في أماكن العمل. بعد نقل أحمال العمل إلى السحابة "كما هي" في عملية الرفع والنقل، يجب أن ينتج عن المحاكاة التي تقوم بتشغيلها الأسبوع المقبل نتيجة متسقة مع العملية التي قمت بتشغيلها قبل عقد من الزمن. وهذا أمر بالغ الأهمية في الصناعات التي يجب إجراء مقارنات بين السنة والأخرى باستخدام نفس البيانات والحسابات. على سبيل المثال، لم تتغير حسابات الديناميكا الهوائية والسيارات والكيمياء، ولا يمكن أن تتغير النتائج أيضًا.
- لا توجد تكاليف مخفية: يتم تقديم الخدمات السحابية عادةً على نموذج الدفع أولًا بأول، لذا تأكد من أنك تفهم بالضبط ما ستدفعه مقابل كل مرة تستخدم فيها الخدمة. يندهش غالبًا العديد من المستخدمين من تكلفة حركة البيانات الخارجية أو خروج البيانات—قد تعرف أنه يتعين عليك الدفع لكل معاملة ولطلبات الوصول إلى البيانات، ولكن يتم تجاهل تكاليف الخروج بسهولة.
الحصول على النتائج التي تتوقعها وتريدها
بشكل عام، من الأفضل البحث عن الخدمات السحابية المخصصة التي توفر المزيد من التحكم والأداء. إلى جانب شبكات مجموعات RDMA، توفر HPC المخصصة نتائج مطابقة لما تحصل عليه من أجهزة مماثلة في أماكن العمل.
ما هو مستقبل HPC؟
تتحول الشركات والمؤسسات عبر الصناعات المتعددة إلى HPC، مما يدفع النمو المتوقع أن يستمر لسنوات عديدة قادمة. ومن المتوقع أن يتوسع سوق HPC العالمية من 31 مليار دولارًا في عام 2017 إلى 50 مليار دولارًا في عام 2023. مع استمرار تحسن أداء السحابة وزيادة موثوقية وقوة الأداء، من المتوقع أن يكون ثمة زيادة في النمو في عمليات نشر HPC المستندة إلى السحابة التي تخفف من حاجة الشركات إلى استثمار الملايين في البنية التحتية لمركز البيانات والتكاليف ذات الصلة.
في المستقبل القريب، من المتوقع أن ترى البيانات الكبيرة وتقارب HPC، مع نفس المجموعة الكبيرة من أجهزة الكمبيوتر المستخدمة لتحليل البيانات الكبيرة وتشغيل عمليات المحاكاة وأحمال عمل HPC الأخرى. ومع تقارب هذين الاتجاهين، ستكون النتيجة في المزيد من القدرة والقوة على الحوسبة لكل منهما، مما يؤدي إلى المزيد من البحث والابتكار الرائد.
إيرل جوزيف، ستيف كونواي، بوب سورنسن، أليكس نورتون. تحديث Hyperion Research: ISC19. https://hyperionresearch.com/wp-content/uploads/2019/06/Hyperion-Research-ISC19-Breakfast-Briefing-Presentation-June-2019.pdf