نظام تشغيل الحواسيب العملاقة

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

نظام تشغيل الحواسيب العملاقة هو نظام تشغيل مصمم خصيصًا للحواسيب العملاقة . منذ نهاية القرن العشرين، شهدت أنظمة تشغيل الحواسيب العملاقة تحولات جذرية، نتيجة للتغيرات الجوهرية التي طرأت على بنية هذه الحواسيب . [ 1 ] في حين كانت أنظمة التشغيل المبكرة تُصمم خصيصًا لكل حاسوب عملاق لزيادة سرعته، إلا أن التوجه العام اتجه نحو استخدام نظام لينكس ، [ 2 ] الذي كان يُشغل جميع الحواسيب العملاقة المدرجة في قائمة TOP500 في نوفمبر 2017. في عام 2021، كانت أفضل 10 حواسيب تعمل بنظام Red Hat Enterprise Linux (RHEL)، أو أحد إصداراته، أو توزيعات لينكس أخرى مثل أوبونتو .

نظراً لأن الحواسيب العملاقة الحديثة ذات المعالجة المتوازية الضخمة تفصل عادةً العمليات الحسابية عن الخدمات الأخرى باستخدام أنواع متعددة من العُقد ، فإنها عادةً ما تُشغّل أنظمة تشغيل مختلفة على عُقد مختلفة، على سبيل المثال، استخدام نواة صغيرة وفعّالة وخفيفة الوزن مثل نواة عقدة الحوسبة (CNK) أو لينكس عقدة الحوسبة (CNL) على عُقد الحوسبة، ولكن نظاماً أكبر مثل توزيعة لينكس على عُقد الخوادم وعُقد الإدخال/الإخراج . [ 3 ] [ 4 ]

في حين أن جدولة المهام في نظام حاسوبي تقليدي متعدد المستخدمين تُعتبر في الواقع مشكلة تخصيص للموارد الحاسوبية والطرفية، فإن نظام إدارة المهام في نظام متوازي ضخم يحتاج إلى إدارة تخصيص كل من الموارد الحاسوبية وموارد الاتصال، بالإضافة إلى التعامل بسلاسة مع أعطال الأجهزة الحتمية عند وجود عشرات الآلاف من المعالجات. [ 5 ]

على الرغم من أن معظم الحواسيب العملاقة الحديثة تستخدم نظام التشغيل لينكس، [ 6 ] فقد أدخل كل مصنّع تعديلات خاصة به على توزيعة لينكس التي يستخدمها، ولا يوجد معيار صناعي موحد، ويعود ذلك جزئيًا إلى أن الاختلافات في بنى الأجهزة تتطلب تغييرات لتحسين نظام التشغيل بما يتناسب مع كل تصميم من تصميمات الأجهزة. [ 1 ] [ 7 ]

أنظمة التشغيل المستخدمة في أفضل 500 حاسوب فائق

السياق والنظرة العامة

في بدايات الحوسبة الفائقة، كانت المفاهيم المعمارية الأساسية تتطور بسرعة، وكان على برمجيات النظام أن تواكب ابتكارات الأجهزة التي كانت عادةً ما تشهد تطورات سريعة. [ 1 ] في الأنظمة الأولى، كانت أنظمة التشغيل تُصمم خصيصًا لكل حاسوب فائق لزيادة سرعته، ولكن في خضم التسرع في تطويرها، ظهرت تحديات خطيرة تتعلق بجودة البرمجيات، وفي كثير من الحالات أصبحت تكلفة وتعقيد تطوير برمجيات النظام مشكلة لا تقل أهمية عن مشكلة الأجهزة. [ 1 ]

مركز الحوسبة الفائقة في مركز ناسا أميس

في ثمانينيات القرن العشرين، تساوى إنفاق شركة كراي على تطوير البرمجيات مع إنفاقها على الأجهزة، وكان لهذا التوجه دورٌ جزئي في التحول من أنظمة التشغيل الداخلية إلى استخدام برمجيات عامة. [ 2 ] وشهدت منتصف ثمانينيات القرن العشرين الموجة الأولى من تغييرات أنظمة التشغيل، حيث تم التخلي عن أنظمة التشغيل الخاصة بموردين محددين لصالح نظام يونكس . وعلى الرغم من الشكوك التي سادت في البداية، فقد أثبت هذا التحول نجاحه. [ 1 ] [ 2 ]

بحلول أوائل التسعينيات، شهدت برمجيات أنظمة الحوسبة الفائقة تغييرات جذرية. [ 1 ] في ذلك الوقت، بدأ الاستخدام المتزايد لنظام يونكس يُغير النظرة السائدة لبرمجيات الأنظمة. فقد كان استخدام لغة برمجة عالية المستوى ( C ) لتنفيذ نظام التشغيل، والاعتماد على واجهات موحدة، على النقيض من مناهج لغة التجميع التي كانت سائدة في السابق. [ 1 ] ومع قيام موردي الأجهزة بتكييف يونكس مع أنظمتهم، أُضيفت إليه ميزات جديدة ومفيدة، مثل أنظمة الملفات السريعة وجدولة العمليات القابلة للتعديل . [ 1 ] ومع ذلك، أجرت كل شركة قامت بتكييف يونكس تعديلات فريدة عليه، بدلاً من التعاون على وضع معيار صناعي لإنشاء "يونكس للحوسبة الفائقة". ويعود ذلك جزئياً إلى أن الاختلافات في بنى هذه الأنظمة استلزمت هذه التعديلات لتحسين أداء يونكس بما يتناسب مع كل بنية. [ 1 ]

مع استقرار أنظمة التشغيل العامة، بدأت الحواسيب العملاقة في استعارة وتكييف أجزاء أساسية من شيفرة النظام منها، معتمدةً على مجموعة الوظائف الثانوية الغنية التي توفرها. [ 1 ] ومع ذلك، في الوقت نفسه، كان حجم شيفرة أنظمة التشغيل العامة ينمو بسرعة. وبحلول الوقت الذي وصلت فيه شيفرة أنظمة يونكس إلى 500,000 سطر، أصبحت صيانتها واستخدامها تحديًا. [ 1 ] وقد أدى ذلك إلى التحول نحو استخدام النوى المصغرة التي تستخدم الحد الأدنى من وظائف نظام التشغيل. وتُعد أنظمة مثل Mach في جامعة كارنيجي ميلون و ChorusOS في INRIA أمثلة على النوى المصغرة المبكرة. [ 1 ]

أصبح فصل نظام التشغيل إلى مكونات منفصلة ضروريًا مع تطور الحواسيب العملاقة وتطور أنواع مختلفة من العُقد، مثل عُقد الحوسبة وعُقد الإدخال/الإخراج. ولذلك، تُشغّل الحواسيب العملاقة الحديثة عادةً أنظمة تشغيل مختلفة على عُقد مختلفة، على سبيل المثال، استخدام نواة صغيرة وفعّالة وخفيفة الوزن مثل CNK أو CNL على عُقد الحوسبة، بينما يُستخدم نظام أكبر مثل أحد مشتقات لينكس على عُقد الخوادم وعُقد الإدخال/الإخراج. [ 3 ] [ 4 ]

الأنظمة المبكرة

تم تسليم أول جهاز Cray-1 (النموذج المعروض مع المكونات الداخلية) إلى العميل بدون نظام تشغيل. [ 8 ]

كان جهاز CDC 6600 ، الذي يُعتبر عمومًا أول حاسوب عملاق في العالم، يعمل بنظام التشغيل Chippewa ، والذي تم نشره لاحقًا على العديد من أجهزة سلسلة CDC 6000 الأخرى. [ 9 ] كان نظام Chippewa نظامًا بسيطًا نسبيًا للتحكم في المهام ، مُشتقًا من نظام CDC 3000 السابق ، ولكنه أثر على أنظمة KRONOS و SCOPE اللاحقة . [ 9 ] [ 10 ]

تم تسليم أول جهاز Cray-1 إلى مختبر لوس ألاموس بدون نظام تشغيل أو أي برامج أخرى. [ 11 ] قام مختبر لوس ألاموس بتطوير برامج التطبيقات ونظام التشغيل الخاص به. [ 11 ] ثم طُوّر نظام المشاركة الزمنية الرئيسي لجهاز Cray-1، وهو نظام Cray للمشاركة الزمنية (CTSS)، في مختبرات ليفرمور كامتداد مباشر لنظام ليفرمور للمشاركة الزمنية (LTSS) الخاص بنظام التشغيل CDC 6600 الذي طُوّر قبل عشرين عامًا. [ 11 ]

في تطوير الحواسيب العملاقة، سرعان ما أصبحت تكاليف البرمجيات المتزايدة العامل المهيمن، كما يتضح من ارتفاع تكلفة تطوير البرمجيات في شركة كراي في ثمانينيات القرن الماضي لتُعادل تكلفة الأجهزة. [ 2 ] وكان هذا التوجه مسؤولاً جزئياً عن التحول من نظام التشغيل الداخلي لشركة كراي إلى نظام يونيكوس المبني على نظام يونكس . [ 2 ] وفي عام 1985، كان جهاز كراي-2 أول نظام يُشحن مزوداً بنظام التشغيل يونيكوس. [ 12 ]

في نفس الفترة تقريبًا، طورت شركة ETA Systems نظام التشغيل EOS لاستخدامه في حواسيبها العملاقة ETA10 . [ 13 ] كُتب نظام EOS بلغة Cybil ، وهي لغة شبيهة بلغة باسكال من شركة Control Data Corporation ، وقد أبرز مشاكل الاستقرار في تطوير أنظمة تشغيل مستقرة للحواسيب العملاقة، وفي النهاية تم توفير نظام شبيه بنظام يونكس على نفس الجهاز. [ 13 ] [ 14 ] شملت الدروس المستفادة من تطوير برمجيات نظام ETA مستوى المخاطر العالي المرتبط بتطوير نظام تشغيل جديد للحواسيب العملاقة، ومزايا استخدام يونكس بقاعدته الكبيرة من مكتبات برمجيات النظام. [ 13 ]

بحلول منتصف التسعينيات، ورغم الاستثمار المستمر في أنظمة التشغيل القديمة، اتجهت الأنظار نحو استخدام الأنظمة القائمة على يونكس، مما سهّل استخدام واجهات المستخدم الرسومية التفاعلية للحوسبة العلمية عبر منصات متعددة. [ 15 ] وقد واجه هذا التوجه نحو نظام تشغيل تجاري معارضين، أشاروا إلى سرعة وتيرة تطوير لينكس وتركيزها كعقبة رئيسية أمام اعتماده. [ 16 ] وكما كتب أحد المؤلفين: "من المرجح أن يلحق لينكس بالركب، لكن لدينا الآن أنظمة واسعة النطاق". ومع ذلك، استمر هذا التوجه في اكتساب الزخم، وبحلول عام 2005، كانت جميع الحواسيب العملاقة تقريبًا تستخدم نظام تشغيل شبيهًا بيونكس . [ 17 ] وشملت هذه الأنظمة المشتقة من يونكس نظام IBM AIX ، ونظام لينكس مفتوح المصدر ، وتعديلات أخرى مثل UNICOS من شركة Cray. [ 17 ] وبحلول نهاية القرن العشرين، تشير التقديرات إلى أن لينكس استحوذ على الحصة الأكبر من سوق الحوسبة العملاقة. [ 1 ] [ 18 ]

الأساليب الحديثة

الحاسوب العملاق بلو جين / بي في مختبر أرغون الوطني

يستخدم حاسوب IBM Blue Gene العملاق نظام التشغيل CNK على عقد الحوسبة، بينما يستخدم نواة معدلة مبنية على لينكس تُسمى نواة عقدة الإدخال/الإخراج ( INK ) على عقد الإدخال/الإخراج. [ 3 ] [ 19 ] CNK نواة خفيفة الوزن تعمل على كل عقدة وتدعم تشغيل تطبيق واحد لمستخدم واحد على تلك العقدة. ولضمان كفاءة التشغيل، صُممت CNK ببساطة وبأقل قدر من المكونات، حيث يتم تعيين الذاكرة الفعلية بشكل ثابت، ولا تحتاج CNK إلى جدولة أو تبديل سياق، ولا توفرهما. [ 3 ] لا تُنفذ CNK حتى عمليات إدخال/إخراج الملفات على عقدة الحوسبة، بل تُوكل هذه المهمة إلى عقد إدخال/إخراج مخصصة. [ 19 ] ومع ذلك، ونظرًا لأن عدة عقد حوسبة في Blue Gene تتشارك عقدة إدخال/إخراج واحدة، فإن نظام تشغيل عقدة الإدخال/الإخراج يتطلب تعدد المهام، ومن هنا جاء اختيار نظام التشغيل المبني على لينكس. [ 3 ] [ 19 ]

في حين كان جدولة المهام في أنظمة الحواسيب متعددة المستخدمين التقليدية والحواسيب العملاقة المبكرة تُعتبر في جوهرها مسألة جدولة مهام لمعالجة الموارد الطرفية، فإن نظام إدارة المهام في الأنظمة المتوازية الضخمة يحتاج إلى إدارة تخصيص كلٍ من موارد الحوسبة والاتصال. [ 5 ] من الضروري ضبط جدولة المهام ونظام التشغيل في مختلف تكوينات الحاسوب العملاق. يحتوي مُجدول المهام المتوازي النموذجي على مُجدول رئيسي يُصدر تعليمات لعدد من المُجدولين التابعين لبدء المهام المتوازية ومراقبتها والتحكم بها ، ويتلقى تقارير دورية منها حول حالة تقدم المهام. [ 5 ]

تحاول بعض برامج جدولة الحواسيب العملاقة، وليس جميعها، الحفاظ على موضع تنفيذ المهام. فبرنامج الجدولة PBS Pro المستخدم في نظامي Cray XT3 و Cray XT4 لا يسعى إلى تحسين الموضع على شبكة الربط ثلاثية الأبعاد ، بل يستخدم ببساطة أول معالج متاح. [ 20 ] من جهة أخرى، يهدف برنامج الجدولة من IBM في حواسيب Blue Gene العملاقة إلى استغلال الموضع وتقليل التنافس على الشبكة عن طريق تخصيص مهام من التطبيق نفسه إلى مستوى أو أكثر من المستويات الوسطى لمجموعة عقد 8x8x8. [ 20 ] يستخدم برنامج جدولة Slurm Workload Manager خوارزمية أفضل ملاءمة، ويُجري جدولة منحنى هيلبرت لتحسين موضع تخصيص المهام. [ 20 ] تستخدم العديد من الحواسيب العملاقة الحديثة، مثل Tianhe-2، برنامج Slurm، الذي يُدير التنافس على الموارد عبر النظام. Slurm هو برنامج مفتوح المصدر ، يعمل بنظام Linux، ويتميز بقابلية توسع عالية، ويمكنه إدارة آلاف العُقد في مجموعة حاسوبية بمعدل إنتاجية مستدام يزيد عن 100,000 مهمة في الساعة. [ 21 ] [ 22 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ ٨ ٩ ١٠ ١١ ١٢ ١٣ موسوعة الحوسبة المتوازية، تأليف ديفيد بادوا، ٢٠١١، رقم ISBN 0-387-09765-1الصفحات 426-429.
  2. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ معرفة الآلات: مقالات عن التغير التقني بقلم دونالد ماكنزي ١٩٩٨ ISBN 0-262-63188-1الصفحات 149-151.
  3. 1 2 3 4 5 المعالجة الموازية الأوروبية 2004: المؤتمر الدولي العاشر للمساواة الأوروبية 2004، بقلم ماركو دانيلوتو وماركو فانشي ودومينيكو لافورينزا ISBN 3-540-22924-8الصفحة 835.
  4. 1 2 تقييم جهاز Cray XT3 في مختبر أوك ريدج الوطني بواسطة صدف ر. علم وآخرون، المجلة الدولية لتطبيقات الحوسبة عالية الأداء، فبراير 2008 المجلد 22 العدد 1 52-80.
  5. 1 2 3 بنية إدارة الوظائف المفتوحة للحاسوب العملاق Blue Gene/L من تأليف ياريف أريدور وآخرون في كتاب استراتيجيات جدولة الوظائف للمعالجة المتوازية من تأليف درور ج. فيتلسون، 2005، رقم ISBN 978-3-540-31024-2الصفحات 95-101.
  6. ↑ فون-نيكولز، ستيفن ج. (18 يونيو 2013). "لينكس لا يزال يسيطر على الحواسيب العملاقة" . زد نت . تم الاطلاع عليه في 20 يونيو 2013 .
  7. ↑ "مخطط أفضل 500 نظام تشغيل" . Top500.org. مؤرشف من الأصل بتاريخ 5 مارس 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2010 .
  8. ↑ استهداف الحاسوب: الدعم الحكومي والمنافسة الدولية ، بقلم كينيث فلام، 1987، رقم ISBN 0-8157-2851-4الصفحة 82
  9. 1 2 ثورة الحاسوب في كندا، بقلم جون ن. فاردالاس، 2001، رقم ISBN 0-262-22064-4الصفحة 258.
  10. ↑ تصميم جهاز كمبيوتر: بيانات التحكم 6600 بقلم جيمس إي. ثورنتون، سكوت، فورسمان برس 1970 صفحة 163.
  11. 1 2 3 استهداف الحاسوب: الدعم الحكومي والمنافسة الدولية ، بقلم كينيث فلام، 1987، رقم ISBN 0-8157-2851-4الصفحات 81-83.
  12. ↑ ليستر تي. ديفيس، توازن القوى، تاريخ موجز لهياكل أجهزة كراي ريسيرش، في كتاب "الحوسبة عالية الأداء: التكنولوجيا والأساليب والتطبيقات" بقلم جيه جيه دونغارا، 1995، رقم ISBN 0-444-82163-5الصفحة 126.
  13. 1 2 3 لويد إم. ثورندايك، زوال أنظمة ETA في "آفاق الحوسبة الفائقة II" بقلم كارين آر. أميس، آلان برينر 1994 ISBN 0-520-08401-2الصفحات 489–497.
  14. ↑ الماضي والحاضر والموازاة: دراسة استقصائية لأنظمة الحوسبة المتوازية المتاحة ، بقلم آرثر ترو، 1991، رقم ISBN 3-540-19664-1الصفحة 326.
  15. ↑ آفاق الحوسبة الفائقة II ، تأليف كارين ر. أميس وآلان برينر، 1994، رقم ISBN 0-520-08401-2الصفحة 356.
  16. ↑ برايتويل، رون ريزن، رولف ماكابي، آرثر. "حول مدى ملاءمة أنظمة التشغيل التجارية لأنظمة الحوسبة المتوازنة واسعة النطاق" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يناير 2013 .{{cite web}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  17. 1 2 الوصول إلى السرعة: مستقبل الحوسبة الفائقة، تأليف سوزان ل. غراهام، ومارك سنير، وسينثيا أ. باترسون، المجلس الوطني للبحوث، 2005، رقم ISBN 0-309-09502-6الصفحة 136.
  18. ↑ مجلة فوربس، 15/03/2005: لينكس يهيمن على الحواسيب العملاقة
  19. 1 2 3 المعالجة المتوازية في مؤتمر يورو-بار الدولي الثاني عشر لعام 2006، بقلم فولفغانغ إي. ناغل، وفولفغانغ في. والتر، وفولفغانغ لينر، رقم ISBN 3-540-37783-2.
  20. 1 2 3 استراتيجيات جدولة الوظائف للمعالجة المتوازية: بقلم إيتان فراختنبرغ وأوي شويجلشون 2010 ISBN 3-642-04632-0الصفحات 138-144.
  21. ↑ SLURM في SchedMD
  22. ↑ جيت، م. و م. جروندونا، SLURM: أداة لينكس بسيطة لإدارة الموارد، في وقائع مؤتمر ClusterWorld، سان خوسيه، كاليفورنيا، يونيو 2003