حل مسائل پیچیده با ابر​رایانه




ابررایانه ها (Super Computers) در حقیقت ابزارهایی بسیار پرقدرت و پیشرفته هستند که توان محاسباتی آنها ده ها هزار برابر بیشتر از رایانه های معمولی خانگی بوده و البته میلیون ها دلار قیمت دارند. ابررایانه ها در ساختمان هایی با فضای بسیار بزرگ جای داده می شوند و سیستم های پیشرفته سرمایشی نیز جلوی افزایش دمای ناشی از کارکرد شدید هزاران ریزپردازنده آن را می گیرد. ابررایانه ها (Super Computers) در حقیقت ابزارهایی بسیار پرقدرت و پیشرفته هستند که توان محاسباتی آنها ده ها هزار برابر بیشتر از رایانه های معمولی خانگی بوده و البته میلیون ها دلار قیمت دارند. ابررایانه ها در ساختمان هایی با فضای بسیار بزرگ جای داده می شوند و سیستم های پیشرفته سرمایشی نیز جلوی افزایش دمای ناشی از کارکرد شدید هزاران ریزپردازنده آن را می گیرد. بی شک نباید انتظار داشت که این توان بسیار بالا، صرف مواردی که با رایانه های معمولی نیز به انجام می رسد، شود. همان طور که می توان حدس زد، هدف از طراحی و ساخت ابررایانه ها، انجام برخی از حیاتی ترین محاسبات و یافتن پاسخی برای بسیاری از پرسش های مهم پیش روی دانش بشری است. در ادامه به بررسی چند کاربرد مهم ابررایانه ها در حوزه های مختلف علمی می پردازیم. شبیه سازی مهبانگ یافتن منشأ شکل گیری کائنات، همواره یکی از مهم ترین پرسش های بشر بوده است. چند لحظه نخست شکل گیری جهان را «مهبانگ» یا «انفجار بزرگ» می نامند. در این چند لحظه کوتاه بود که انرژی و ماده در کیهان در دمای چند تریلیون درجه سانتی گراد، به طرزی باورنکردنی انبساط یافت. دانشمندان بر این باورند که مهبانگ، حدود ۱۳ میلیارد سال پیش روی داده است. محاسبات فیزیکی مربوط به این دوره کوتاه بسیار پیچیده است، اما شبیه سازی آن توسط ابررایانه ها امکان بررسی دقیق تر این پدیده را فراهم می کند. برای نمونه، دانشمندان دانشگاه تگزاس با استفاده از ابررایانه ها، به شبیه سازی نحوه شکل گیری نخستین کهکشان پرداخته اند. همچنین دانشمندان ناسا نیز توانسته اند با استفاده از ابررایانه ها، نحوه تشکیل ستاره ها از گاز و غبار کیهانی را شبیه سازی کنند. ابررایانه ها همچنین امکان بررسی بهتر بخش هایی از کیهان که هنوز مورد کاوش بشر قرار نگرفته را فراهم می کند. حدود ۲۵ درصد از کل کیهان را ماده ای نادیدنی به نام «ماده تاریک» تشکیل می دهد. همچنین ۷۰ درصد از انرژی موجود در کیهان از نوع «انرژی تاریک» است. تاریک نامیدن این دو، نشان دهنده اطلاع نداشتن بشر از ماهیت آنهاست. در حال حاضر دانشمندان با استفاده از قوی ترین ابررایانه های دنیا که توانایی انجام هزاران تریلیون محاسبه در ثانیه را دارند در حال ایجاد مدلی هستند تا هر چه بیشتر به رازهای کیهانی پی ببرند! شناخت بهتر زلزله بررسی تاثیر زلزله بر سطوح مختلف زمین می تواند به درک هر چه بهتر این پدیده طبیعی کمک کند. با این که تا حدود یکی دو دهه پیش چنین کاری بسیار دشوار و حتی غیرممکن بود، اما امروزه پژوهشگران با ایجاد مدلی سه بعدی از زمین با استفاده از ابررایانه ها می توانند نحوه تاثیرگذاری امواج زلزله را بر مناطق مختلف زمین بررسی کنند. گروهی از دانشمندان دانشگاه پرینستون با بهره گیری از ابررایانه ها به بررسی دقیق ساختار زمین و نیز تاثیر امواج زلزله روی آن می پردازند. نتایج حاصل از این مطالعات می تواند به شناسایی بهتر منابع کانی موجود در زمین و نیز فرآیند ایجاد زمین لرزه کمک کند. شناخت پیکربندی پروتئین ها یکی از سریع ترین ابررایانه های دنیا که توسط شرکت آی.بی.ام ساخته شده و «ژن آبی» (blue Gene) نام دارد می تواند به درک بهتر انسان از سازوکار پیچیده پروتئین ها کمک کند. پروتئین ها در واقع از رشته ای بسیار طولانی از اسیدهای آمینه تشکیل شده که به شکلی سه بعدی شکل گرفته اند. کارکرد هر پروتئین به شکل آن بستگی دارد. وقتی که یک پروتئین به شکل نامطلوبی در می آید، می تواند پیامدهای ناگواری همچون جنون گاوی یا آلزایمر را با خود به همراه داشته باشد. همچنین درک نحوه شکل گیری نامطلوب این پروتئین ها می تواند گام اول برای درمان این بیماری ها باشد. ابررایانه ژن آبی تاکنون توانسته به نتایج ارزشمندی در زمینه شناخت سازوکار پیکربندی پروتئین ها دست یابد. البته مطالعه در این زمینه فقط به این ابررایانه محدود نمی شود و چند ابررایانه دیگر نیز در همین حوزه به کار مشغولند. نقشه گردش خون انسان در بدن هر انسان، هزاران رگ و مویرگ وجود دارد. طول همه این رگ ها و مویرگ ها روی هم رفته حدود صد هزار کیلومتر است. اهمیت بررسی این نقشه، گروهی از دانشمندان را بر آن داشت تا با استفاده از ابررایانه ها به شبیه سازی سیستم گردش خون انسان بپردازند. این دانشمندان چند سال پیش توانستند سیستم گردش خون در مغز انسان را شبیه سازی کنند. این نتایج می تواند به شناخت هر چه بهتر ما از سکته مغزی، آسیب های وارده به مغز و سایر بیماری های عروقی مغز کمک کند. مدل سازی از ویروس آنفلوآنزای خوکی جامعه جهانی هر از چندگاه با یک بیماری همه گیر مواجه می شود. در صورت همه گیری ناگهانی یک بیماری ویروسی، باید بسرعت نحوه انتقال ویروس را بررسی و نیز دارویی برای مقابله با آن یافت.ابررایانه ها می توانند در هر دوی این مسائل به ما کمک کنند. برای نمونه، در جریان همه گیری آنفلوآنزای خوکی، چند دانشگاه معروف با استفاده از ابررایانه های خود به بررسی ویروس عامل این بیماری پرداختند. نتایج حاصل از این بررسی نشان داد که این ویروس هنوز به اندازه کافی در برابر دارو مقاوم نیست و در مواردی مشخص، ممکن است دارو به ویروس متصل شده و سبب افزایش مقاومت آن شود. به همین دلیل پزشکان توانستند تا تجویز داروهایی که سبب افزایش مقاومت ویروس نمی شد، به موفقیت هایی در جلوگیری از تشدید وضع همه گیری آن دست یابند. آزمایش سلاح های هسته ای مخالفت افکار عمومی جهان با تولید و گسترش سلاح های هسته ای سبب شده تا بسیاری از کشورها نتوانند براحتی دست به آزمایش این گونه تسلیحات بزنند. همین امر سبب شده ابررایانه ها به ابزاری مطلوب برای شبیه سازی انفجار انواع تسلیحات هسته ای بدل شود. شرکت آی.بی.ام یکی از پیشگامان در این حوزه است و با ساخت ابررایانه ای با نام سکویا (Sequia) که توانایی انجام بیست هزار تریلیون محاسبه در ثانیه را دارد، به شبیه سازی انفجار ناشی از بمب های هسته ای بپردازند. پیش بینی وضع آب و هوا دانشمندان هواشناسی باید انبوهی از متغیرهای مختلف را در پیش بینی وضع آب و هوا مد نظر قرار دهند. در اینجا هم ابررایانه ها می توانند به کمک ما آمده و با انجام محاسبات بر اساس این متغیرها، به پیش بینی هر چه درست تر شرایط جوی کمک کنند. اکنون چند مرکز مهم مطالعاتی دنیا با استفاده از ابررایانه های خود به این کار مشغول هستند. البته کاربرد ابررایانه فقط به پیش بینی وضع جوی آینده محدود نمی شود. مدل سازی آب و هوای زمین در دوره های مختلف گذشته و انطباق آن با بقایای فسیلی و زمین شناسی یافت شده نیز از دیگر کاربردهای این ابزارهای قدرتمند دیجیتال است. شبیه سازی مغز انسان همان طور که می دانید، شرکت آی.بی.ام ابررایانه ای با نام سکویا طراحی کرده که از توان محاسباتی بسیار بالایی برخوردار است. جالب است بدانیم اگر ۱۲۰ میلیارد انسان هر یک با استفاده از یک ماشین حساب به مدت ۵۰ سال عملیات محاسباتی انجام دهند، توان محاسباتی آنها برابر با توان محاسباتی سکویا فقط در یک روز خواهد بود! اما این توانایی شگرف ابررایانه ها، در برابر توان مغز آدمی ناچیز است. برای نمونه، ابررایانه ای که چندی پیش در یکی از مراکز پژوهشی ایالات متحده ساخته شده بود فقط می توانست مغز یک گربه را شبیه سازی کند. جالب این که کیفیت این شبیه سازی چندان هم راضی کننده نبود و این ابررایانه حدود صد تا هزار مرتبه ضعیف تر از مغز یک گربه معمولی عمل می کرد. با این همه ابررایانه ها می توانند در تهیه نقشه ای از سلول های عصبی مغز ما را یاری کنند. سال ۲۰۰۶ پژوهشگران سوئیسی توانستند قسمتی با ده هزار سلول عصبی در مغز یک موش را شبیه سازی کنند. پژوهشگران امیدوارند این طرح زمینه ایجاد مدلی کامل از مغز انسان را فراهم کند؛ البته این مدل کارکردهای هوش مصنوعی را ندارد و فقط می تواند اتصالات عصبی موجود در مغز را نشان داده و به دانشمندان در درک هر چه بهتر سازوکارهای مغزی و نیز درمان برخی بیماری های مربوط به آن کمک کند.