راه حل هایی برای کاهش هزینه بالای انرژی در نسل جدید ابررایانه ها
3 بهمن 1390
نسل جدید ابررایانه ها سرعتی هزاران برابر سریعترین ابررایانه امروزی را خواهد داشت، اما در مقابل مصرف انرژی آن برابر حداکثر خروجی برق یک سد بزرگ است، هزینه ای که امروزه با وجود بحران انرژی، بسیار گران تمام می شود.
مهر- ابررایانه های غول پیکر با قیمتهایی از یک تا ۱۰۰ میلیون دلار از همه نظر با رایانه های خانگی و لپ تاپها فاصله زیادی دارند. توسعه در صنعت ساخت ابررایانه ها نه تنها می تواند کشورها را از نظر علم و نوآوری به جلو براند، بلکه می تواند قدرت رایانشی و محاسباتی بیشتری را در اختیار کاربران قرار دهد.
نسل بعدی ابررایانه ها، ابررایانه های اگزا یا Exascale می توانند در ثانیه میلیاردها میلیارد محاسبه انجام دهند، سرعتی هزار برابر بیشتر از سریعترین ابررایانه ای که تا به امروز در جهان ساخته شده است.
چنین ابررایانه هایی می توانند برای اولین بار با دقتی بالا میزان بخشهای داخلی موتورهای احتراقی خودروها، هواپیماها و حتی رآکتورهای هسته ای را شبیه سازی کنند. شبیه سازی سلولهای زنده که به صورت همزمان ساختارهای شیمیایی، مولکولی، ژنتیکی و بیولوژیکی را شامل می شوند نیز از دیگر توانایی های باور نکردنی این ابررایانه ها است.
اما این آینده درخشان ابررایانه ها هزینه زیادی برای بخش انرژی در بر خواهد داشت. تنها یکی از این ابررایانه های اگزا یا Exascale به نیرویی برابر حداکثر خروجی برق یک سد بزرگ مانند سد Hoover نیاز خواهد داشت. برای غلبه بر این مشکل متخصصان صنعت رایانه و ریاضیدانان باید معماری کاملا جدید رایانه ای را ارائه کنند که می تواند در زمینه انرژی بهره وری کافی داشته باشد. راه حلهایی که برای کاهش انرژی مصرفی این ابررایانه ها ارائه شده اند در کارگاهی که در موسسه تحقیقات رایانه ای و تجربی در دانشگاه براون برگزار شد مورد بررسی قرار گرفته اند.
بازسازی تراشه ها
مهندسان رایانه ای برای کاهش میزان انرژی مصرفی ابررایانه های نسل جدید در تلاشند تا تعدادی دوبرابر تعداد کنونی از ترانزیستورها را در فضای ثابتی از میکروتراشه ها جا دهند، رویکردی که قانون مور نام دارد و می تواند میزان مصرف انرژی را ثابت نگه دارد. با این همه اگر مهندسان بتوانند دوبرابر ترانزیستور را در یک ریزتراشه معمولی بگنجانند هنوز مقدار انرژی مصرفی بسیار بالا خواهد بود. از این رو ایجاد چنین ریزتراشه هایی با قدرت پردازشی دو برابر نیازمند بازطراحی اساسی معماری رایانه ها است تا بهره وری انرژی در آنها بالا رود.
در این راستا وزارت انرژی آمریکا در جستجوی راهی است تا بتواند تا سال ۲۰۲۰ نسل جدیدی از ابررایانه ها را ارائه کند که مصرف انرژی آنها کمتر از ۲۰ مگاوات است، یعنی انرژی ۱۰۰ برابر کمتر از حداکثر انرژی تولید شده در یک سد بزرگ.
GPUها به جای CPUها
سریعترین ابررایانه های امروزی به مجموعه ای از کمدهای یخچال مانند شباهت دارند که در درون اتاقی بزرگ کنار یکدیگر قرار گرفته اند. هریک از این کمدها دارای بیش از هزار واحد پردازشگر یا CPU هستند که هر یک از این CPU ها برابر مغز پردازشگر یک لپ تاپ هستند.
آخرین نسل از ابررایانه های پتا (ابررایانه هایی با توانایی پردازش یک کوادریلیون محاسبه در ثانیه) دارای هزاران شبکه ای CPU ها است اما هریک از CPU ها به گونه ای طراحی شده اند تا بتوانند پردازش چند وظیفه محدود را در کمترین زمان ممکن و بدون توجه به میزان انرژی مصرف شده انجام دهند.
شرکت NVIDIA از معدود شرکتهایی است که برای رفع این مشکل اقدام کرده است. این شرکت واحدهای پردازش گرافیکی یا GPU هایی را ابداع کرده است که تمرکز آن بر روی پردازش کارامد و کم مصرف است. به این شکل میزان مصرف انرژی با استفاده از این واحدهای پردازشگر هشت برابر کمتر از انرژی مورد استفاده CPU ها خواهد بود.
بر اساس گزارش ان بی سی، این شرکت امیدوار است با استفاده GPU های ابداعی خود بتواند مدت زمان تکمیل و ساخت ابررایانه های اگزا را به سال ۲۰۱۸ کاهش دهد. انتظار می رود GPU کپلر این شرکت در هر وات انرژی پنج میلیارد محاسبه انجام دهد.