सुपरकंप्यूटर क्या है

अगर आप सोचते हैं कि आपका पर्सनल कंप्यूटर (Personal Computer - PC) या लैपटॉप तेज़ है, तो आप दुनिया के सबसे शक्तिशाली कंप्यूटर, सुपरकंप्यूटर की कल्पना भी नहीं कर सकते। 

सुपरकंप्यूटर सामान्य कंप्यूटरों के वर्ग से बिलकुल अलग हैं। ये ऐसे अत्यंत शक्तिशाली सिस्टम होते हैं जो किसी भी समय उपलब्ध सबसे तेज़, उच्च-प्रदर्शन वाले सिस्टम माने जाते हैं।

आसान शब्दों में कहें तो, सुपरकंप्यूटर वे मशीनें हैं जिन्हें ऐसे काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जिन्हें करने में सामान्य कंप्यूटर को शायद हज़ारों साल लग जाएँ।

सुपरकंप्यूटर का मुख्य उद्देश्य

सुपरकंप्यूटर का इस्तेमाल मुख्य रूप से वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग के कामों के लिए किया जाता है। इन कामों में बहुत ज़्यादा रफ़्तार वाली गणनाओं (calculations) की ज़रूरत होती है, जिन्हें उच्च-गति कंप्यूटेशन कहा जाता है।

यह कहाँ इस्तेमाल होता है? इसके कुछ ख़ास उदाहरण यहाँ दिए गए हैं:

1. जलवायु और मौसम मॉडलिंग (Climate and Weather Modeling): मौसम का सटीक अनुमान लगाने के लिए।
2. खगोलीय विकास अध्ययन (Cosmological Evolution Studies): ब्रह्मांड कैसे बना और विकसित हुआ, इसकी स्टडी के लिए।
3. दवाओं का सिमुलेशन (Pharmaceutical Compound Simulations): नई दवाएं या टीके बनाने के लिए, जैसे COVID-19 के लिए कंपाउंड स्क्रीनिंग।
4. राष्ट्रीय सुरक्षा और रक्षा: मूल रूप से इन्हें परमाणु हथियारों के डिज़ाइन और क्रिप्टोलॉजी (गुप्त कोड को डिकोड करना) जैसे राष्ट्रीय सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए विकसित किया गया था। आज भी ये परमाणु भंडार सिमुलेशन (nuclear stockpile simulation) में उपयोगी हैं।

आजकल, सुपरकंप्यूटर का उपयोग एयरोस्पेस, पेट्रोलियम, ऑटोमोटिव उद्योगों और यहाँ तक कि ऑनलाइन गेमिंग में भी व्यापक रूप से किया जाता है।

रफ़्तार की माप: यह कितना तेज़ है?

सुपरकंप्यूटर की परफॉरमेंस को मापने के लिए एक विशेष इकाई का इस्तेमाल किया जाता है, जिसे FLOPS (फ्लोटिंग-पॉइंट ऑपरेशंस प्रति सेकंड) कहा जाता है।

जहाँ आपका डेस्कटॉप कंप्यूटर आमतौर पर सैकड़ों गीगा FLOPS (giga FLOPS) से लेकर दसियों टेरा FLOPS (teraFLOPS) तक की गति देता है, वहीं सुपरकंप्यूटर की गति का स्तर बहुत बड़ा होता है।

सुपरकंप्यूटिंग के लिए दो मुख्य लक्ष्य रहे हैं:

1. पेटा FLOPS (Peta FLOPS): इसका मतलब है 1015 FLOPS।
2. एक्सा FLOPS (Exa FLOPS): इसका मतलब है 1018 FLOPS। एक्सास्केल सुपरकंप्यूटर (जो $1$ exaFLOPS के होते हैं) 2022 से मौजूद हैं।

भविष्य में, राष्ट्रीय और अंतर्राष्ट्रीय प्रयास ज़ेटा FLOPS ($10^{21}$ FLOPS ) की ओर बढ़ रहे हैं। अनुमान है कि 2030 के आस-पास पूर्ण पैमाने पर मौसम मॉडलिंग के लिए ज़ेटा FLOPS की ज़रूरत होगी।

सुपरकंप्यूटर काम कैसे करता है?

सुपरकंप्यूटर की अत्यधिक शक्ति उसके काम करने के तरीके, यानी उसकी बनावट (आर्किटेक्चर) में छिपी है।

1. समानांतर प्रोसेसिंग (Parallel Processing)

एक सामान्य पर्सनल कंप्यूटर सीरियल प्रोसेसिंग का उपयोग करता है, जिसका मतलब है कि यह एक समय में केवल एक ही काम को संभालता है।

लेकिन सुपरकंप्यूटर समानांतर प्रोसेसिंग (Parallel Processing) का उपयोग करते हैं। यह एक बड़ी समस्या को लेता है और उसे कई छोटे-छोटे कार्यों में तोड़ देता है। फिर इन छोटे कार्यों को एक साथ कई प्रोसेसरों में बाँट दिया जाता है, जिससे गणना की दर बहुत तेज़ हो जाती है।

यही कारण है कि सुपरकंप्यूटर में आमतौर पर एक से ज़्यादा CPU होते हैं, जिन्हें अक्सर 'कंप्यूट नोड्स' में व्यवस्थित किया जाता है।

2. वेक्टर अंकगणित (Vector Arithmetic)

सुपरकंप्यूटर की एक विशिष्ट विशेषता वेक्टर अंकगणित है। इसका मतलब है कि सुपरकंप्यूटर एक बार में संख्याओं की पूरी सूचियों (lists) पर काम कर सकते हैं। यह एरे-आधारित ऑपरेशनों को बहुत तेज़ कर देता है।

3. सुपरकंप्यूटर की वास्तुकला (Architectures)

सुपरकंप्यूटर कई अलग-अलग डिज़ाइनों पर आधारित होते हैं:

• वेक्टर प्रोसेसिंग सिस्टम (Vector Processing Systems): ये SIMD (सिंगल इंस्ट्रक्शन, मल्टीपल डेटा) निर्देशों पर केंद्रित होते हैं।
• टाइटली कनेक्टेड क्लस्टर (Tightly Connected Clusters): इन्हें सामूहिक रूप से समानांतर क्लस्टर (massively parallel clusters) या मल्टी-नोड क्लस्टर भी कहा जाता है।
• कमोडिटी क्लस्टर (Commodity Clusters): ये लागत-प्रभावी समानांतर कंप्यूटिंग के लिए बाज़ार में आसानी से उपलब्ध हार्डवेयर (off-the-shelf hardware) का उपयोग करते हैं।
• ग्रिड और अवसरवादी कंप्यूटिंग (Grid and Opportunistic Computing): इसमें LAN/WAN के माध्यम से जुड़े नेटवर्क वाले क्लस्टर या यहाँ तक कि स्वेच्छा से योगदान किए गए पर्सनल कंप्यूटरों का भी उपयोग किया जाता है। Folding@home, BOINC, और GIMPS जैसी परियोजनाएं इसी तरह के वितरित नेटवर्क का उपयोग करती हैं, कभी-कभी संयुक्त प्रदर्शन में एक्साफ्लोप्स तक पहुँचती हैं।

4. विशेष-उद्देश्य सुपरकंप्यूटर (Special-Purpose Supercomputers)

कुछ सुपरकंप्यूटर केवल एक विशिष्ट काम करने के लिए बनाए जाते हैं। ये एप्लिकेशन-विशिष्ट इंटीग्रेटेड सर्किट (Application-Specific Integrated Circuits - ASICs) के चारों ओर बनाए जाते हैं। ये मशीनें सामान्य सुपरकंप्यूटर की तुलना में बेहतर कीमत/प्रदर्शन देती हैं, लेकिन इसके लिए उन्हें अपनी सामान्य कार्यक्षमता (generality) का बलिदान देना पड़ता है।

उदाहरण के लिए:

• डीप ब्लू (Deep Blue): शतरंज खेलने के लिए।
• MDGRAPE-3: आणविक गतिशीलता (molecular dynamics) के लिए।
• डीप क्रैक (Deep Crack): क्रिप्ट विश्लेषण (cryptanalysis) के लिए।

सबसे बड़ी चुनौतियाँ: गर्मी और ऊर्जा प्रबंधन

जब इतने सारे प्रोसेसर एक साथ काम करते हैं, तो वे ज़बरदस्त गर्मी पैदा करते हैं। घनी तरह से पैक किए गए प्रोसेसरों से उत्पन्न होने वाली इस अत्यधिक गर्मी के कारण, कूलिंग (ठंडा करने) के नए तरीके बहुत ज़रूरी हो जाते हैं।

ऊर्जा का उपयोग और गर्मी का प्रबंधन सुपरकंप्यूटर के लिए सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक हैं। आधुनिक डेटा सेंटरों को कई मेगावाट की बिजली घनत्व (power densities) को संभालने के लिए उन्नत कूलिंग सुविधाओं की आवश्यकता होती है।

इस समस्या से निपटने के लिए कई कूलिंग नवाचार (cooling innovations) विकसित किए गए हैं:

1. लिक्विड इमर्शन कूलिंग (Liquid Immersion Cooling): जैसे फ्लोरीनर्ट (Fluorinert) में डुबोना।
2. क्रायोजेनिक कूलिंग (Cryogenic Cooling): अत्यधिक ठंडक का उपयोग।
3. हाइब्रिड लिक्विड-एयर सिस्टम: तरल और हवा का मिला-जुला उपयोग।
4. कुछ सिस्टम ऊर्जा का पुन: उपयोग करने के लिए हॉट-वॉटर सिस्टम या कम बिजली वाले प्रोसेसर का लाभ उठाते हैं।

सुपरकंप्यूटिंग का इतिहास और वर्तमान

सुपरकंप्यूटिंग में प्रगति कई चरणों में हुई है:

• 1960 के दशक: सिंगल-प्रोसेसर डिज़ाइन।
• 1970 से 1990 के दशक: वेक्टर प्रोसेसिंग पर ध्यान।
• 2000 के दशक से आगे: हजारों प्रोसेसरों वाले सामूहिक समानांतर सिस्टम (massively parallel systems) का विकास।

आज के सुपरकंप्यूटरों की एक और महत्त्वपूर्ण बात यह है कि 2017 से, दुनिया के शीर्ष 500 सुपरकंप्यूटरों में से सभी लिनक्स-आधारित ऑपरेटिंग सिस्टम (Linux-based operating systems) पर चलते हैं।

सुपरकंप्यूटरों का जीवन चक्र लगभग तीन साल का होता है, जिसके बाद उन्हें अपनी अत्याधुनिक परफॉरमेंस बनाए रखने के लिए अपग्रेड की ज़रूरत होती है।