تعریف محاسبات سریع یا پردازش موازی

رایانش سریع امروزه یکی از بهترین روش‌ها برای استفاده بهینه از منابع و انجام محاسبات پیچیده است. پردازش‌ موازی و محاسبات پیشرفته به هرگونه انجام محاسبات اتلاق می‌شود که برای هدف خود به بیش از یک کامپیوتر نیازمند باشد و یا به عبارتی به طور هم‌زمان از چندین کامپیوتر استفاده کند. ابرکامپیوترها و خوشه‌های کامپیوتری برای حل انبوهی از معادلات پیچیده بکار گرفته می‌شوند.

مزايای سيستم‌های ابررايانه را كه عامل اصلی رشد سريع آنها است که می‌توان به شرح زير ليست نمود:

* نسبت هزينه به‌ كارايی بسيار پايين

* سخت‌افزار و نرم‌افزار ارزان و دردسترس

* تعمير و نگهداری ساده

* قابليت توسعه سيستم متناسب با افزايش نياز

* امكان بروزرسانی سيستم

* زمان بالای در اختيار بودن و سرويس‌دهی سيستم

* کاهش زمان اجرا در شبيه سازی‌ها و حل مسائل کاربردی

* گسترش دامنه تحقيقات

* امکان حل مسائل بزرگتر و پيچيده تر

کاربردهای اصلی رایانش سریع عبارتند از

* تحلیل و نگهداری داده‌ها

* شبیه‌سازی

* مدل‌سازی

* توسعه نرم‌افزارها

* مشاهده انبوه داده‌های به هم وابسته

* محاسبات سریع ریاضی

کارایی پردازش موازی

* توسعه محصولات و طراحی مجدد آن‌ها

* بهینه‌سازی تولید و فرآیندهای آن

* تحلیل یا توسعه انبوه داده‌ها

* هدایت پروژه‌های تحقیقاتی گسترده

* ذخیره‌سازی حجم‌های بسیار زیاد داده برای تحلیل‌های بعدی

* برآیندسازی مصرف تولیدات، جستجو و الگوسازی

* تصویرسازی‌های کامپیوتری برای توضیح نتایج تحقیقاتی

* شبیه‌سازی و مدل‌سازی فرآیندهای پیچیده

علم محاسبات همراه با منابع محاسباتی و فناوری اِچ‌پی‌سی (HPC) سه رکن اصلی برای همانندسازی تئوری‌ها و نظریه‌ها با نتایج آزمایش‌های عملی است.

پردازش موازی قادراست با حجم بسیار عظیم داده‌ها کار کرده و با سرعت بسیار زیاد نتایج را تحلیل کند. این کار با استفاده از کامپیوترهای معمولی چندین ماه می‌تواند زمان ببرد درحالیکه با استفاده از کامپیوترهای اِچ‌پی‌سی تنها در چند دقیقه یا ساعت قابل انجام است. بایستی توجه کرد که در بسیاری از موارد کامپیوترهای معمولی اصولاً برای انجام این قبیل محاسبات ناتوان هستند.

استفاده از پردازش موازی باعث صرفه‌جویی در هزینه و زمان می‌شود و این امکان را فراهم می‌سازد تا بدون استفاده از نمونه‌های ساخته شده آنچه را که می‌تواند در واقعیت اتفاق بیافتد را شبیه‌سازی کند و ببیند، تجزیه و تحلیل کند، نقاط ضعف و قوت را بسنجد، عیوب و اشتباهات را تصحیح کند، دوباره طراحی کرده و نتیجه کار را نیز ببیند. این یک واقعیت مجازی (Virtual Reality) است که همه بضاعت علمی انسان امروز را در قالب یک نرم‌افزار که آن هم خود ابداع انسان است جمع آوری می‌کند.

این نرم‌افزارها با میلیون‌ها و حتی میلیارد‌ها محاسبه که بر روی داده‌ها انجام می‌دهند و همه نتایج اولیه را مجدداً و میلیون‌ها بار مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهند قادر هستند تا یک نتیجه نهایی را به عنوان خروجی در اختیار ما قرار دهند. مسلماً این همه عملیات محاسباتی خارج از قدرت ذهن انسان است اما راه‌حل وجود دارد و آن هم سیستم‌های پیشرفته کامپیوتری، اَبَرکامپیوترها (Super Computers) یا همان سیستم‌های مبتنی بر پردازش موازی اِچ‌پی‌سی است.

برخی از مثال‌های متنوع قابلیت‌های پردازش موازی عبارت است از دینامیک سیالات محاسباتی، عملیات نفتی، شبیه سازی تست تصادف خودرو، دینامیک جریان هوا بر روی بال هواپیما، ذخیره سازی اطلاعات، انیمیشن‌های گرافیکی، تصویرسازی و مدل سازی بازسازی چهره. در زمينه‌های فيزيک، شيمی، کوانتوم و الکترومغناطيس نرم‌افزارهای کاربردی متنوعی وجود دارند كه به علت سنگين بودن محاسبات، نياز به پردازش موازی را احساس کرده اند. همين امر سبب گرديده است که شرکت‌های ارائه دهنده نرم‌افزار در زمينه‌های ذکر شده اقدام به توليد نسخه موازی برای برنامه‌های کاربردی خود نمايند، تا بتوانند جوابگوی نياز پردازشی کاربران خود باشند.

امکانات رایانش ابری

* ارائه راهکار قدرتمند و سريع برای محاسبات فيزيک، شيمی، کوانتوم و الکترومغناطيس

* کاهش زمان اجرای برنامه های کاربردی نظير (Gaussian, GAMESS, Quantum Espresso)

* امکان افزايش تعداد تکرارها

* کاهش زمان اجرای هر تکرار

* گسترش دامنه مسائل

* توانايی اجرای مختلف همزمان

برخی از صنایعی که نیاز به پردازش موازی (HPC) دارند

* مکانيک سيالات CFD

* هواشناسی (پيش‌بينی وضع هوا)

* داروسازی و پزشكی

* فيزيك هسته‌ای

* شيمی و محاسبات ملكولی

* سيستم‌های بلادرنگ (مثل شبيه‌سازی آنی شبكه‌های سراسری برق)

* رياضيات كاربردی (مانند حل معادلات پيچيده و سنگين)

* زمين‌شناسی و پيش‌بينی زلزله (مسائل مربوط به كشف چاه‌های نفت و گاز)

* پليمر و پتروشيمی (ساخت مواد استراتژيك جديد)

* مكانيك و رباتيك

* هوش مصنوعی

* مهندسی پزشكی

ليست نرم افزارهای کاربردی در زمينه های فيزيک، شيمی، کوانتوم و الکترومغناطيس با قابليت اجرای سريع در ادامه آورده می شود:

* Gaussian

* GAMESS

* Firefly

* Quantum Espresso

* NWChem

* Material Studio

* Monte Carlo

* XFdtd

مکانيک سيالات (Computational Fluid Dynamics) CFD

تعداد زيادی از نرم افزارهای كاربردی معروف در زمينه پردازش موازی قابليت موازی سازی را دارند، به همين دليل به جرات می توان به اين نکته اشاره کرد که بيشترين کاربرد سيستم های پردازش سريع در زمينه محاسبات مکانيک سيالات است.

امکانات ويژه ای برای سيستم های مورد نياز جهت محاسبات مکانيک سيالات فراهم آورده شده است که می تواند راه گشای مراکز تحقيقاتی، دانشگاهی و صنعتی مرتبط باشد. پاره ای از خدماتی که امکان ارائه آنها وجود دارد به شرح زير است:

* ارائه راهکار قدرتمند و سريع برای محاسبات ديناميک سيالات (CFD)

* کاهش زمان اجرای برنامه هاي کاربردی نظير (Fluent, STAR-CD, OpenFoam)

* امکان افزايش تعداد تکرارها

* کاهش زمان اجرای هر تکرار

* گسترش Grid مسايل CFD

* توانايی اجرای مختلف همزمان

ليست نرم‌افزارهای کاربردی مکانیک سیالات

• FLUENT

• STAR-CD

• GT-SUITE

• CFX

• OpenFOAM

• CFD++

• MoldFlow

• Gerris

• AcuSolve

• CFL3D

• Fire

• Flow3D

• Flowvision

• GASP

• Gridpro

• KIVA

• NEWT

• Overflow-D

• Pointwise

• PowerFlow

• TECPLOT

• TGrid

• Vectis

خدمات بیشتر

* ارائه راهکار قدرتمند و سريع برای اکتشاف مخازن، استخراج، مدل‌سازی اقتصادی و شيمی مولکولی

* کاهش زمان اجرای برنامه هاي کاربردی نظير (Eclipse, HYSYS, GEM)

* امکان حل معادلات پيچيده مدل حالت شبيه‌ سازی مخازن

* امکان شبيه‌ سازی انواع مختلف تركيبات پيچيده نفت

* کاهش زمان اجرای شبيه سازی‌ها

* گسترش دامنه مسايل

* توانايی اجرای مختلف همزمان