ما الحوسبة الفائقة؟

تشتمل تقنية الحوسبة الفائقة على أجهزة كمبيوتر فائقة، وهي أسرع أجهزة كمبيوتر في العالم. تتكوَّن أجهزة الكمبيوتر الفائقة من وصلات بينية، وأنظمة الإدخال/الإخراج، والذاكرة، ونوى المعالجة.

على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الفائقة أكثر من وحدة معالجة مركزية (CPU). يتم تجميع وحدات المعالجة المركزية هذه في عُقد حوسبة، تضم معالجًا أو مجموعة من المعالجات -المعالجة المتعددة المتماثلة (SMP)- وكتلة ذاكرة. على نطاق واسع، يمكن لجهاز الكمبيوتر الفائق أن يحتوي على عشرات الآلاف من العُقد. من خلال قدرات الاتصال البيني، يمكن لهذه العُقد التعاون في حل مشكلة معينة. تستخدم العُقد أيضًا الوصلات البينية للتواصل مع أنظمة الإدخال/الإخراج، مثل تخزين البيانات والشبكات.

تجدر الإشارة إلى أنه بسبب استهلاك أجهزة الكمبيوتر الفائقة الحديثة للطاقة، تتطلب مراكز البيانات أنظمة تبريد ومرافق مناسبة لاستيعابها كلها.

نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الفائقة تُستخدم غالبًا لتشغيل برامج الذكاء الاصطناعي، فقد أصبحت الحوسبة الفائقة مرادفة للذكاء الاصطناعي. يرجع هذا الاستخدام المنتظم إلى أن برامج الذكاء الاصطناعي تتطلب حوسبة عالية الأداء تقدِّمها أجهزة الكمبيوتر الفائقة. بمعنى آخر، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الفائقة التعامل مع أنواع أعباء العمل المطلوبة عادةً لتطبيقات الذكاء الاصطناعي.

على سبيل المثال، قامت IBM ببناء جهازَي الكمبيوتر الفائقين Summit وSierra مع وضع البيانات الكبيرة وأعباء عمل الذكاء الاصطناعي في الاعتبار. ويساعدان على نمذجة انفجارات النجوم، وابتكار مواد جديدة، واستكشاف السرطان وعلم الوراثة والبيئة، باستخدام تقنيات متاحة لجميع الشركات.

تُقاس الحوسبة الفائقة بعدد العمليات ذات الفاصلة العائمة في الثانية (FLOPS). البيتا فلوب هي وحدة لقياس سرعة معالجة الكمبيوتر تعادل ألف تريليون عملية ذات فاصلة عائمة (FLOPS). ويمكن لنظام كمبيوتر بقوة 1 بيتا فلوب أداء قدره كوادريليون (10¹⁵) عملية ذات فاصلة عائمة. من منظور آخر، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الفائقة أن تمتلك قوة معالجة تفوق أسرع كمبيوتر محمول بمليون مرة.

وفقًا لقائمة TOP500، فإن أسرع جهاز كمبيوتر فائق في العالم هو Fugaku الياباني بسرعة 442 بيتافلوب حتى يونيو 2021. يأتي جهازا الكمبيوتر الفائقَين من IBM، وهما Summit وSierra، في المركزين الثاني والثالث، بسرعة تصل إلى 148.8 و94.6 بيتافلوب على التوالي. يقع جهاز Summit في مختبر Oak Ridge الوطني، وهو منشأة تابعة لوزارة الطاقة الأمريكية في ولاية تينيسي. ويقع جهاز Sierra في مختبر Lawrence Livermore الوطني في كاليفورنيا.

لوضع سرعات اليوم في منظورها الصحيح، عندما تم تركيب Cray-1 في مختبر لوس ألاموس الوطني عام 1976، كانت سرعته حوالي 160 ميجا فلوب. يمكن لميجا فلوب واحد أن ينفِّذ مليون (10⁶) فلوب.

يُستخدم مصطلح الحوسبة الفائقة أحيانًا بشكل مرادف لأنواع أخرى من الحوسبة. لكن في أحيان أخرى، قد تكون هذه المرادفات مربكة. لتوضيح بعض أوجه التشابه والاختلاف بين أنواع الحوسبة، إليك بعض المقارنات الشائعة.

بينما تُشير الحوسبة الفائقة عادةً إلى عملية إجراء حسابات معقدة وكبيرة تستخدمها أجهزة الكمبيوتر الفائقة، فإن الحوسبة عالية الأداء (HPC) تعني استخدام عدة أجهزة كمبيوتر فائقة لمعالجة حسابات معقدة وكبيرة. وغالبًا ما يتم استخدام كِلا المصطلحين بالتبادل.

يُطلق أحيانًا على أجهزة الكمبيوتر الفائقة اسم أجهزة الكمبيوتر المتوازية، لأن الحوسبة الفائقة تعتمد على المعالجة المتوازية. المعالجة المتوازية هي عندما تعمل وحدات المعالجة المركزية المتعددة على حل عملية حسابية واحدة في وقت معين. ومع ذلك، تستخدم سيناريوهات الحوسبة عالية الأداء المعالجة المتوازية أيضًا، دون استخدام جهاز الكمبيوتر الفائق بالضرورة.

الاستثناء الآخر هو أن أجهزة الكمبيوتر الفائقة يمكن أن تستخدم أنظمة معالجة أخرى، مثل معالجات المتجهات أو المعالجات القياسية أو المعالجات متعددة الخيوط.

الحوسبة الكمية (Quantum) هي نموذج للحوسبة يستفيد من قوانين ميكانيكا الكم لمعالجة البيانات، حيث يتم إجراء العمليات الحسابية بناءً على الاحتمالات. وتهدف إلى حل المشكلات المعقدة التي لا تستطيع أقوى أجهزة الكمبيوتر الفائقة في العالم حلها، ولن تستطيع ذلك أبدًا.

تطورت الحوسبة الفائقة على مدى سنوات عديدة منذ أن تم تشغيل جهاز Colossus في Bletchley Park في الأربعينيات. كان Colossus أول كمبيوتر وظيفي وإلكتروني ورقمي، صممه Tommy Flowers، مهندس أبحاث الهواتف في مكتب البريد العام (GPO).

بدأ استخدام مصطلح جهاز الكمبيوتر الفائق في أوائل الستينيات، عندما طرحت IBM جهاز IBM 7030 Stretch وكشفت Sperry Rand عن جهاز UNIVAC LARC. هذان هما أول جهازَي كمبيوتر فائقين مقصودين - تم تصميمهما ليكونا أكثر قوة من أسرع أجهزة الكمبيوتر التجارية المتوفرة في ذلك الوقت. بدأت الأحداث التي أثَّرت في تطور الحوسبة الفائقة في أواخر الخمسينيات، عندما بدأت الحكومة الأمريكية بتمويل تطوير تقنيات الحوسبة عالية الأداء والمتقدمة للاستخدامات العسكرية بشكل منتظم.

على الرغم من أن أجهزة الكمبيوتر الفائقة كان يتم إنتاجها في البداية بكميات محدودة للحكومة، فإن التكنولوجيا المطوَّرة ستجد طريقها لاحقًا إلى القطاعَين الصناعي والتجاري. على سبيل المثال، قادت شركتان أمريكيتان، وهما Control Data Corporation (CDC) وCray Research، صناعة أجهزة الكمبيوتر الفائقة التجارية من منتصف الستينيات حتى أواخر السبعينيات. ويُعَد جهاز CDC 6600، الذي صممه Seymour Cray، أول جهاز كمبيوتر فائق تجاري ناجح. أصبحت شركة IBM لاحقًا رائدة في الصناعة التجارية من التسعينيات وحتى اليوم.