İTÜ - Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Merkezi

T.C. Cumhurbaşkanlığı Strateji ve Bütçe Başkanlığı tarafından desteklenen İTÜ - Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Uygulama ve Araştırma Merkezi (UHeM, önceki kısaltmasıyla UYBHM), 2006 yılından bu yana yüksek başarımlı hesaplama (YBH) ve veri depolama alanlarında hem akademik hem de endüstriyel kullanıcılara hizmet vermektedir.

1. Yüksek Başarımlı Hesaplama Nedir?

“Yüksek Başarımlı Hesaplama”, en basit ifadeyle, tek bir işlemciyle uzun sürede yapılması beklenen bir işin, birden fazla işlemciye dağıtılarak eş zamanlı bir şekilde yaptırılmasıdır. Örneğin belli bir şiddetteki depremin İstanbul’a etkisini ölçmek için simülasyon yapmak istediğimizi düşünelim. Depremin İstanbul’a etkisini tam anlamıyla görmek için İstanbul’daki her mahallenin tek tek incelenmesi ve her bir mahalle için büyük miktarlarda hesaplama yapılması gerekecektir. Bu hesaplamaların tek bir bilgisayarla yapılması haftalar, hatta aylar alacaktır. Her bir mahalle için gerekli hesaplamaların ayrı işlemcilerde eş zamanlı yapılması ise toplam simülasyon süresini azaltacaktır. Öte yandan herhangi bir yerde meydana gelen sarsıntı, komşu bölgeleri de etkileyeceğinden ölçüm esnasında bu etkinin ne olduğu da değerlendirmeye katılmalıdır. Bu sebeple eş zamanlı hesaplama yapan bilgisayarlar arasında yoğun haberleşme olması gerekmektedir. YBH sistemleri, bu örnekteki gibi karmaşık işlemlerin koordineli bir şekilde yapılabilmesi için gerekli donanım aygıtlarının ve bu aygıtların birlikte çalışmasını sağlayacak özel yazılım bileşenlerinin oluşturduğu yapılardır. Bu sistemlere kısaca süperbilgisayar da denmektedir.

Kullanıcılarına önemli ölçüde zaman ve enerji tasarrufu sağlayan YBH, günümüzde pek çok farklı çalışmada kullanılmaktadır. Hava tahminlerinden savunma sanayiine, ekonomik öngörülerden ilaç geliştirme çalışmalarına kadar birçok farklı alanda araştırmaların yapılabilmesine imkan tanımaktadır. Bununla birlikte doğal afetlerin olası etkileri de çok kısa bir sürede simüle edilip gözlemlenebilmekte, bu sonuçlara göre önlemler alınabilmektedir. Örneğin Hindistan’da bulunan C-DAC süperbilgisayar merkezi, 1999 yılında 10.000 kişinin hayatını kaybettiği tayfunun bir benzerinin yaklaştığını haber almış; yapılan simülasyon çalışmaları doğrultusunda tayfunun etkilemesi beklenen bölgeden 700.000 kişi tahliye edilmiştir. Böylelikle olası bir felaketin yaşanması önlenmiş; binlerce kişinin hayatı kurtarılmıştır. Diğer yandan otomotiv sektöründe de yüksek başarımlı hesaplama sistemleri kullanılarak çarpışma testleri, dayanıklılık simülasyonları yapılabilmekte; üretim planlamaları bu sonuçlara göre şekillendirilebilmekte ve maliyetler düşürülebilmektedir.

Günlük hayatımızı büyük ölçüde kolaylaştıran, sunulan hizmetlerin hızlı ve kaliteli olmasını sağlayan YBH’nın önemi tüm dünyada giderek artmaktadır. YBH’nın ülkemizdeki Ar&Ge faaliyetlerinde ve bilimsel çalışmalarda kullanılması bilim dünyasının gelişimine pozitif yönde katkı sunacak ve Türkiye’nin rekabet gücünü arttıracaktır. UHeM, YBH konusunda farkındalığın arttırılmasını, gelişen teknolojilerin Türk bilim dünyasıyla buluşturulmasını ilke edinmiş olup, bu konuda en etkin şekilde hizmet vermeyi amaçlamaktadır.

1.1 Donanım

Geçmişte süperbilgisayarlar hem donanım hem de yazılım açısından çok özelleşmiş aygıtlarken, YBH kullanımının bir çok alana yayılmasıyla, bütün bu alanlar için ayrı ayrı kaynakların tahsis edilmesi yerine, optimal bir kaynağın bir çok disiplinde kullanılmasına imkan

verecek, daha jenerik yapılar haline gelmiştir. Örneğin günümüz süperbilgisayarlarının birçoğu, sıradan sayılabilecek iş istasyonu özelliklerine sahip bir çok ayrı makinanın hızlı bir ağda birbirleriyle haberleşebilecek şekilde kümelenmesiyle oluşur. Böyle bir süperbilgisayarın büyüklüğünü tanımlayan en büyük etken bu makinaların işlem gücü ve sayısıdır.

Bir süperbilgisayarın bileşenlerini, alışılagelmiş bilgisayarlar olarak düşünürsek, donanım açısından üç ana başlıkta özetleyebiliriz:

• işlemci ve anlık hafıza (RAM)

• depolama alanı (hard disk)

• yüksek performanslı ağ

  Bir süperbilgisayarın, genelde, bu bileşenlerinin her biri, yüksek hesaplama performansı amacı gözetilerek seçilir ve günlük hayatımızda kullandığımız dizüstü bilgisayarlardan farklılaştığı nokta budur. Örneğin, e-posta, ofis gibi kullanımlarda yüksek işlem gücü gerekmediği için, sıradan dizüstü bilgisayarlarda 2 ile 4 arasında çekirdeği olan bir işlemci varken, UHeM’in tedarik ettiği son süperbilgisayarda, her sunucuda 2 işlemci ve her işlemcide 64 çekirdek bulunmaktadır. Yine yüksek yazma hızı amacıyla, çözülen problemler anlık hafızaya sığmadığı zaman, verilerin, bir kaç parça halinde, toplamda petabyte’lar seviyesine rahatça ulaşabilen disk kümelerine eşzamanlı yazılmasını sağlayan paralel dosya sistemleri bulunmaktadır. Yine benzer bir performans amacıyla, birden fazla sunucuda eşzamalı gerçekleşen bir hesaplamada sunucuların birbirilerinden veri alabilmesi için sunucular arasında saniyede 200 gigabit gibi hızlarla haberleşmeyi sağlayan performans ağları mevcuttur. Aşağıdaki figürlerde, UHeM’in güncel iki YBH sisteminin görüntüsünü ve özelliklerini inceleyebilirsiniz.

1.2 Yazılım

YBH’da donanımın olduğu gibi, yazılımın da rolü kritiktir. Süperbilgisayarda çalıştırıldı diye bir program herhangi bir bilgisayara göre daha hızlı çalışmaz; hatta seri (tek çekirdekte çalışan) bir program, işlemci teknolojisi genelde bir jenerasyon ileride olduğu için güncel bir dizüstü bilgisayarda çok daha hızlı sonuç verebilir. Süperbilgisayarlarda çalıştırılacak olan bir yazılımın, birden çok işlemciyi kullanabilecek şekilde paralel programlama teknikleriyle yazılmış olmalı. Eldeki problemin parçalara bölünüp kullanılan sunuculara paylaştırılması ise programcıların görevi olup, yazılımın verimli çalışması açısından en önemli süreçtir.

2. UHeM’i akademik projelerimde nasıl kullanırım?

UHeM, proje bazlı Ar&Ge kullanımına açıktır. Projelerin büyük çoğunluğu finansal açıdan TÜBİTAK ve üniversitelerin BAP birimleri tarafından desteklenen akademik projeler olsa da,

UHeM, endüstriyel Ar&Ge için de kullanılabilir. Merkezimiz, akademik ve endüstriyel projeleri değişik oranlarda sübvanse etmektedir. “Akademik Hazırlık” programı sayesinde UHeM, üniversitelerimiz bünyesinde hali hazırda çalışan tüm öğretim üyelerini araştırma projeleri başvurularına teşvik etmek amacı ile belli bir miktar ücretsiz hesaplama kaynağı sunmaktadır. Benzer bir şekilde, ülkemizin bütün üniversitelerindeki lisans, lisansüstü, ve doktora öğrencilerine, tez çalışmaları, proje ve ödevlerine yardımcı olmak üzere yine belli miktarlarda ücretsiz hesaplama kaynağı sunulmaktadır. Bunların güncel miktarları ve kaynaklara başvuru süreci web sitemizdeki ilgili sayfalarda yayınlanmış olup, detaylara bu yazının sonundaki web bağlantılarından erişilebilir.

Web sayfamızda anlatılan proje başvuru süreci tamamlanıp UHeM tarafından onaylandığında, araştırmacılarımıza bir kullanıcı hesabı oluşturulmaktadır. Kullanıcılarımız, herhangi bir bilgisayar kullanarak, bu hesap bilgileriyle sistemlerimize uzaktan bağlanıp hesaplamalarını yapmaktadır. Bunu yapabilmeleri için UHeM Wiki sayfasında da bulunabilecek minimal düzeyde Linux bilgisine ihtiyaç duyulmaktadır. Sisteme iş verme, çalışan işleri ve sonuçlarını görüntüleme, sık kullanılan bazı programların UHeM’de calıştırılması gibi son derece faydalı bilgiler ise yine Wiki sayfamızda adım adım, örneklerle verilmektedir.

Hesaplama kaynakları sunmanın yanında UHeM zaman zaman giriş seviyesinde paralel programlama, Python gibi konularda ve Linux, süperbilgisayar/UHeM kullanımı gibi araştırmacılarımızın kolaylıkla sistemlerimize erişmesinde yardımcı olmayı amaçlayan ücretsiz eğitimler düzenlemektedir. Bu eğitimlerimizden, üniversitemizin etkinlik sayfasından olduğu gibi, https://training.uhem.itu.edu.tr sayfasının altında bulunan alana adresinizi girerek e-posta yoluyla da haberdar olabilirsiniz.

Bağlantılar:

Ana sayfa: https://www.uhem.itu.edu.tr

Akademik Hazırlık Programı: https://www.uhem.itu.edu.tr/akademik-hazirlik.html

Proje başvuru portalı: https://portal.uhem.itu.edu.tr/

Sistemlere erişim, kullanım, Linux, paralel programa gibi bir çok konuda özet dökümanların olduğu Wiki sayfamız: https://wiki.uhem.itu.edu.tr/w/index.php/UHeM_Wiki

Akademik ve öğrenci projeleri ile ilgili bilgiler: https://www.uhem.itu.edu.tr/kullanim-turleri.html