12مثال و کاربردهای پردازش موازی
12مثال و کاربردهای پردازش موازی
فهرست مطالب
پردازش موازی چیست؟
باور کنید یا نه، مداری که رایانه شما برای ارائه گرافیک های فانتزی برای بازی های ویدیویی و انیمیشن های سه بعدی استفاده می کند، از همان معماری ریشه ای ساخته شده است که مدارهایی را که پیش بینی دقیق الگوی آب و هوا را ممکن می کند، ساخته شده است. وحشی، ها؟ و زیرساخت موازی واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) همچنان قدرتمندترین رایانه ها را تامین می کند.
ون میگوید: «اگر به نیروی کار برای جامعه علمی امروز نگاه کنید، رایانههای جدید، مانند [ابر رایانههای آیبیام] Summit، و همچنین نسل بعدی، مانند Aurora، اکنون عمدتاً بر اساس این مدل [زیرساخت] هستند. mei Hwu، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه Illinois-Urbana Champaign، که او نیز پدرخوانده محاسبات موازی در نظر گرفته می شود.
در اینجا فقط چند روش وجود دارد که محاسبات موازی به بهبود نتایج و حل موارد غیرقابل حل قبلی کمک می کند.
پردازش موازی در هوافضا و انرژی
وقتی روی برنامه Weather Channel در تلفن خود ضربه می زنید تا پیش بینی روز را بررسی کنید، از پردازش موازی تشکر کنید. نه به این دلیل که تلفن شما چندین برنامه را اجرا می کند، بلکه به این دلیل که نقشه های آب و هوا و الگوهای آب و هوا نیاز به حجم محاسباتی جدی موازی دارند.
محاسبات موازی ستون فقرات سایر مطالعات علمی نیز می باشد، از جمله شبیه سازی های اخترفیزیکی، پیمایش لرزه ای، کرومودینامیک کوانتومی و غیره. نگاهی دقیق تر به چند برنامه بیندازید.
مکان: شیکاگو، ایلینوی
برای درک تأثیر کل نگر آب و هوا و تغییرات آب و هوایی در طول زمان، یک تیم از موسسه محاسبات دانشگاه شیکاگو از پردازش موازی برای انجام این کار استفاده می کند. این چارچوب که به عنوان پروژه سیستم موازی برای یکپارچه سازی مدلها و بخشهای تاثیر (pSIMS) شناخته میشود ، دادهها را از طریق ابررایانههای متعدد، خوشهها و فناوریهای رایانش ابری پردازش میکند تا مدلهای همزمان محیطهایی مانند جنگلها و اقیانوسها را ایجاد کند.
کد pSIMS قبلاً برای شبیهسازی مدلهای انعطافپذیری سیستم غذایی جهانی توسط یک کارگروه مشترک ایالات متحده و بریتانیا مورد استفاده قرار گرفته است و در مسیری است که قابلیتهای شبیهسازی خود را تا سال 2023 به مقیاس بزرگ افزایش میدهد.
مکان: ایوانستون، ایلینوی
نجوم به کندی حرکت می کند. میلیونها سال طول میکشد تا ستارهها با هم برخورد کنند، کهکشانها ادغام شوند یا سیاهچالهها اجرام نجومی را ببلعند – به همین دلیل است که اخترفیزیکدانان برای مطالعه این نوع فرآیندها باید به شبیهسازیهای کامپیوتری روی بیاورند. و چنین مدل های پیچیده ای به توان محاسباتی عظیم نیاز دارند.
به عنوان مثال، یک پیشرفت در سال 2019 در مطالعه سیاهچاله ها، به لطف یک ابر رایانه موازی اتفاق افتاد . محققان دانشگاه نورث وسترن ، دانشگاه آمستردام و دانشگاه آکسفورد راز چهار دههای را حل کردند و ثابت کردند که درونیترین بخش ماده که به دور آن میچرخد، سپس به درون آن فرو میریزد، سیاهچالهها با آن سیاهچالهها همسو هستند. این کلید کمک به دانشمندان برای درک بهتر نحوه رفتار این پدیده هنوز مرموز است.
الکساندر چخوفسکوی، محقق دانشگاه نورث وسترن ، می گوید: «این جزئیات در اطراف سیاهچاله ممکن است کوچک به نظر برسند، اما به شدت بر آنچه در کهکشان به عنوان یک کل اتفاق می افتد، تأثیر می گذارد . آنها سرعت چرخش سیاهچاله ها را کنترل می کنند و در نتیجه سیاهچاله ها چه تأثیری بر کل کهکشان هایشان دارند.»
مکان: هیوستون، تگزاس
یکی از بزرگترین بازیگران صنعت نفت در حومه هیوستون زندگی می کند و بابا نام دارد. Bubba یک ابررایانه (در میان سریع ترین های روی کره زمین) است که متعلق به شرکت geoprocessing DownUnder GeoSolutions است.
پردازش دادههای لرزهای مدتهاست که به ارائه تصویر واضحتری از لایههای زیرزمینی کمک کرده است، که برای صنایعی مانند نفت و گاز ضروری است. با این حال، ابررایانه امروزه عملاً در زمینه انرژی یک امر عادی است – به خصوص که الگوریتمها مقادیر عظیمی از داده را پردازش میکنند تا به حفاریها در استخراج زمینهای سخت مانند گنبدهای نمکی کمک کنند.
ستون فقرات Bubba توسط هزاران پردازنده Intel Xeon Phi تشکیل شده است که در حمام روغن سرد خنک می شوند، تکنیکی که امکان پردازش موازی با کارایی بسیار بالا را فراهم می کند. امید این است که با فروش دسترسی موازی به برق به شرکتهای شخص ثالث، شرکتهای انرژی کمتری مجبور شوند سیستمهای خود را با کارایی کمتر بسازند.
حتی اگر محاسبات موازی اغلب حوزه موسسات تحقیقاتی دانشگاهی و دولتی است، حوزه های تجاری و مالی قطعا مورد توجه قرار گرفته اند.
Hwu گفت: «صنعت بانکداری، معاملهگران صنعت سرمایهگذاری، ارزهای رمزنگاری شده – این جوامع بزرگی هستند که از پردازندههای گرافیکی زیادی برای کسب درآمد استفاده میکنند.
برخی از چشمگیرترین قابلیتهای پردازش موازی منحصر به مراکز ابررایانهای نیستند – یک نمونه قدرتمند حتی ممکن است نشستن در جیب یا روی میز شما باشد. اپل با استفاده از پردازندههای چند هستهای برای تامین انرژی سختافزار خود غریبه نیست و تلاش میکند با هر بار تکرار جدید، سرعت تلفنهای هوشمند و رایانهها را افزایش دهد. جدیدترین تراشه این شرکت که در آیفون 14 استفاده شده است، تراشه A15 Bionic، دارای یک GPU 5 هسته ای، یک CPU 6 هسته ای و یک NPU 16 هسته ای است. به لطف این مقیاس پردازش موازی (در یک فضای بسیار کوچک)، دستگاههایی مانند این دارای سریعترین زمان دانلود و عملکرد در تلفن هوشمند هستند.
به دلیل پیچیدگی راستیآزمایی بلاک چین ، استخراج کریپتو و اجرای قراردادهای هوشمند ، قدرت محاسباتی فراوانی را میگیرد. برای جلوگیری از هر گونه ترافیک، برخی از شرکت ها مانند Aptos برای سرعت بخشیدن به این عملیات، پردازش موازی را انجام می دهند. Block-STM، موتور اجرای موازی چند رشته ای این شرکت، برای مدیریت و سازگاری خودکار با حجم کاری تعارضات قراردادهای هوشمند کار می کند. Block-STM با استفاده از قدرت چندین CPU در چندین عملیات پایگاه داده در یک زمان، بیش از 160000 تراکنش در ثانیه را در بلاک چین Aptos تأیید می کند.
تقریباً تمام جنبههای اصلی بانکداری امروزی، از امتیازدهی اعتبار گرفته تا مدلسازی ریسک و کشف تقلب، توسط فینتک تسریعشده توسط GPU پشتیبانی میشود . به نوعی، انحراف از تجزیه و تحلیل سنتی مبتنی بر CPU اجتناب ناپذیر بود. تخلیه GPU در حدود سال 2008 آغاز شد، درست زمانی که قانونگذاران چندین دور از قوانین مالی پس از سقوط را آغاز کردند. هیچم لاهلو، یکی از بنیانگذاران Xcelerit در سال 2017 به The Next Platform گفت: « در حال حاضر یافتن بانکی با دهها هزار پردازنده گرافیکی تسلا غیرمعمول نیست .» «و بدون آن فشار اجباری مقررات اینطور نبود.»
یکی از اولین پذیرندگان JPMorgan Chase بود که در سال 2011 اعلام کرد که تغییر از پردازش ترکیبی فقط CPU به GPU-CPU محاسبات ریسک در مراکز داده خود را تا 40 درصد بهبود داده و 80 درصد صرفه جویی را به همراه داشته است. Wells Fargo همچنین از پردازندههای گرافیکی انویدیا برای فرآیندهای متنوعی مانند تسریع مدلهای هوش مصنوعی برای ریسک نقدینگی و مجازیسازی زیرساخت دسکتاپ خود استفاده میکند.
پردازش موازی در سرگرمی
محاسبات موازی نیز ریشه در دنیای سرگرمی دارد – با توجه به اینکه GPU ها ابتدا برای بارهای گرافیکی سنگین طراحی شدند، جای تعجب نیست. همچنین برای صنایعی که به دینامیک سیالات محاسباتی متکی هستند، یک تحلیل مکانیکی است که کاربردهای تجاری بزرگی در بازی ، ورزش و فیلم دارد.
چگونه بازی های گرافیکی فشرده مانند Subnautica و Escape From Tarkov تا این حد روان اجرا می شوند؟ همه اینها در تولیدات این بازی ها، به ویژه با کمک موتور بازی Unity ، شروع می شود. نرم افزار Unity از برنامه نویسی چند رشته ای و قابلیت های پردازش موازی پشتیبانی می کند، به این معنی که می تواند محیط ها و مدل های بسیار دقیقی را بدون کاهش سرعت تجربه کلی ایجاد کند. در توسعه، فرآیندهای رندر و الگوریتم می توانند به طور همزمان و با سرعت بیشتری در هسته های مختلف توزیع شوند و فیزیک واقعی تری را در امواج آب یا در حال اجرا از طریق زمین ایجاد کنند.
خودروی مسابقهای اسپورت فولکس واگن ID R که به خاطر ثبت زمانهای مسابقهای از تپه بینالمللی پیکس پیک تا بیلستر برگ مشهور است، میتواند به محاسبات موازی در تولید خود نگاه کند تا سرعت بردهایش را طی کند.
مهندسان خودرو حداقل در دو جنبه کلیدی بر Ansys Fluent، یک نرم افزار شبیه سازی سیال، تکیه کردند: اجرای یک شبیه سازی مجازی مسیر، و یافتن تعادل ایده آل وزن کم و از دست دادن کشش آیرودینامیکی برای سیستم خنک کننده باتری.
چنین خنککنندهای یکی از تعدادی شبیهسازی به اصطلاح دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که کاربران میتوانند روی Ansys اجرا کنند که از شتاب موازی GPU پشتیبانی میکند. این یکی از نمونههای باارزشتر از این است که چگونه پردازش موازی پرقدرت به یکی از روشهای تحقیق CFD در همه چیز از پیشبینی عددی آب و هوا گرفته تا بهینهسازی موتور احتراقی تبدیل شده است.
مکان: کاملاً از راه دور
اگر صحنههای درخشان Thor: Love and Thunder با مضمون دهه 80 یا صحنههای رقص رقص Bullet Train را دیدید، کار دستی پردازش موازی را نیز دیدید. هر دو با استفاده از استودیوی Blackmagic Design ‘s DaVinci Resolve، یکی از معدود مجموعههای پس از تولید استاندارد هالیوود که دارای ابزارهای شتابدهنده GPU هستند، رنگآمیزی شدند. Hwu گفت: “رندرهای با کیفیت بالا بر اساس آنچه آنها تکنیک ردیابی پرتو می نامند، همه اکنون از برخی از این پردازنده ها استفاده می کنند.” او افزود که تصحیح رنگ و انیمیشن سه بعدی هر دو معمولاً از پردازش موازی GPU استفاده می کنند.
پردازش موازی در پزشکی و کشف دارو
فناوری نوظهور در حال تغییر شکل چشمانداز پزشکی به روشهای بیشماری است، از واقعیت مجازی که دژنراسیون ماکولا را بهبود میبخشد تا پیشرفتهایی در چاپ زیستی بافت و اندامها . پردازش موازی برای سالها حضور خود را در این عرصه احساس کرده است، اما آماده است تا پیشرفتهای بیشتری را تقویت کند. در اینجا چگونگی آن است.
مکان: سانتا کلارا، کالیفرنیا
یکی از اولین صنایعی که تغییرات قابل توجهی را نسبت به پردازش موازی، به ویژه انقلاب GPU برای محاسبات عمومی مشاهده کرد، تصویربرداری پزشکی بود. امروزه، این قابلیتها منشعب شدهاند و امکان پردازش سریع برای فناوریهای مراقبتهای بهداشتی مانند ژنومیک، بیوداروسازی و عملیات بیمارستانهای هوشمند را فراهم میکنند – با پیشروی موازی NVIDIA در خط مقدم.
با استفاده از پلتفرم مجهز به هوش مصنوعی این شرکت که کلارا نام دارد، متخصصان مراقبت های بهداشتی می توانند از چارچوب های یادگیری عمیق برای ایجاد مدل های سه بعدی یا خودکارسازی وظایف نظارت بر بیمار استفاده کنند. از جمله مؤسساتی که قبلاً امضا کرده اند عبارتند از Activ Surgical، دانشگاه ایالتی اوهایو و مؤسسه ملی بهداشت.
مکان: کاملاً از راه دور
اگر به پردازش موازی به عنوان یک عروسک تودرتو فکر می کنید، یکی از درونی ترین چهره ها می تواند یک داروی نجات دهنده باشد. برنامه نویسی موازی یک معماری ایده آل برای اجرای شبیه سازی دینامیک مولکولی است که ثابت کرده است در کشف دارو بسیار مفید است.
شرکت تحقیقاتی پزشکی Acellera برنامه های متعددی را توسعه داده است که از زیرساخت بارگذاری قدرتمند GPU ها استفاده می کند: کد شبیه سازی ACEMD و بسته Python HTMD. آنها برای انجام شبیهسازی روی برخی از قویترین رایانههای جهان، از جمله تایتان که به دانشمندان کمک کرد تا نحوه ارتباط انتقالدهندههای عصبی ما را بهتر درک کنند، استفاده شدهاند. با فناوری قابل استفاده برای تحقیقات بیماری های ژنتیکی، Acellera با شرکت هایی مانند Janssen و Pfizer برای تحقیقات دارویی شریک شده است.
مکان: اوک ریج، تنسی
فراتر از رندر تصویر و تحقیقات دارویی، قدرت تجزیه و تحلیل داده های بزرگ پردازش موازی نویدبخش سلامت عمومی است. در یک پروژه، ابررایانه IBM معروف به Summit، متعلق به آزمایشگاه ملی Oak Ridge ، برای پردازش احتمال بیماری روانی و مسیر حرکت در کودکان استفاده میشود. بر اساس پاسخهای پرسشنامه سلامت، Summit مدلهای هوش مصنوعی را آموزش میدهد تا خوشههایی از دادههای تحقیقاتی را در رفتار انسان اعمال کند و به سرعت بیماران در معرض خطر را شناسایی کند. با فناوری پردازش موازی، امید محققان این است که تا 50 درصد از بیماریهای روانی را که میتواند تا بزرگسالی به دنبال داشته باشد، به سرعت درمان و کاهش دهN.
دیدگاهتان را بنویسید