The Shift Toward Specialized hardware in Modern Data Centers

وكانت مراكز البيانات تشكل منذ فترة طويلة العمود الفقري للهياكل الأساسية الرقمية، ولكن النمو الهائل في عبء العمل الاستخبارية الاصطناعية يُجبر على إعادة التفكير في كيفية بناء هذه المرافق وتشغيلها، كما أن وحدات المعالجة المركزية التقليدية، بينما كانت مصممة على نحو غير مقصود، لم تعالج قط عمليات الحساب الموازية التي تتطلبها نماذج التعلم الآلات، والتدريب على الشبكات العصبية، والاختبارات في الوقت الحقيقي.

وهذه الشرائح المتخصصة هي من صنع الأغراض للتعجيل بالعمليات الرياضية في صميم الأنشطة المنفذة تنفيذاً مشتركاً. ومن خلال تحميل المهام المكثفة من وحدات الاستهلاك العام الغرض، يمكن للمنظمات أن تحقق تحسينات كبيرة في الإنتاج والكفاءة، ووفقاً لتقرير من [(FLT:0]]] الوكالة الدولية للطاقة ، فإن مراكز البيانات بالفعل تمثل نحو 1 في المائة من قطاعات استخدام الكهرباء العالمية، وأي أعباء عمل في مجال الطاقة هي أسرع.

Understanding AI-Optimized Microprocessors

أما المجهزات الدقيقة التي تعمل بالأجهزة الضوئية فهي شبه موصلة تدمج البنى المتخصصة للتعجيل بالتعلم الآلاتي والتعلم العميق وتحليل البيانات، وعلى عكس وحدات المعالجة الفلزية العامة الغرض التي تعتمد على تجهيز التعليم المتتابع، فإن هذه الشرائح تستخدم التوازي الهائل، والوصلات البينية للذاكرة ذات النطاق الترددي العالي، والوحدات المكرّسة للخياطة مثل نواة الزب، والصفوف الاصطناعية، وأجهزة الكهربائية.

الاختلافات الرئيسية في المحفوظات

والفرق الأساسي يكمن في كيفية تنفيذ الحسابات، وقد يكون لدى وحدة مكافحة التلوث الجوي 8 إلى 64 نواة على النحو الأمثل لأداء الخيط الوحيد المنخفض، وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن يحتوي مسرع يعمل في مجال مكافحة الحرائق مثل وحدة ضغط الدم على آلاف من النواة الصغيرة المصممة لتجهيزات موازية عالية الإنتاج، مثلاً، فإن نموذج التدريب على قياسات النطاق H100 تينسور (GPU) يشمل 432 18 نموذجاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً

وهناك عنصر حاسم آخر هو نسق الذاكرة، وكثيرا ما تتطلب نماذج المعلومات الإضافية نقل كميات هائلة من البيانات بين وحدات الذاكرة ووحدات المحاسبة، وتدمج المجهزات المتخصصة ذاكرة ذات ترددات عالية، تُركَّز مباشرة على مجموعة الرقائق، مما يقلل من الرطوبة واستهلاك الطاقة مقارنة بالذاكرة التقليدية في مجال نزع السلاح والتسريح وإعادة الإدماج.

أنواع المجهزين المستغلين

  • Graphics Processing Units (GPUs):] Originally designed for rendering graphics, GPUs have become the workhorses of AI training and inference due to their massive parallelism. NVIDIA dominates this space with its A100 and H100 series, while AMD offers the Instinct line.
  • وحدات تجهيز أجهزة الاستشعار (الجهاز الآلي (النظام الآلي لأجهزة التحكم (النظام الآلي للبيانات الجمركية (جوجل) (يتم تحديده على النحو الأمثل (لإسلوب (تيسور فلو) والأطر الأخرى لأجهزة التحكم في الجوجل (كل مجموعة من وحدات التحكم في الأمراض يمكنها أن تقدم أكثر من 100 منحدر من الأداء للتدريب
  • وحدات تجهيز الأوعية الدموية وجدت في العديد من الهواتف الذكية الحديثة وأجهزة الحواف وحدات التلقيح الضوئية تعمل على تسريع الوزن عند المهام المرجعية، ومن الأمثلة على ذلك مهندس الظواهر العصبية في آبل وشركة كويكموم هيكساغون
  • Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs):] These reconfigurable frs allow users to customize the equipment sense for specific AI workload. Microsoft uses FPGAs in its Azure cloud infrastructure to accelerate Bing search and Azure Machine Learning.
  • Data Processing Units (DPUs): ] While not solely AI accelerators, DPUs from companies like NVIDIA (Blue field) and Intel mount AI processing capabilities directly on the data path, offloading network and storage tasks and freeing CPU cores for AI workloads.

استحقاقات مركز البيانات

وتمتد مزايا نشر أجهزة تجهيزات دقيقة تعمل بالأجهزة الضوئية إلى أبعد من السرعة الخام، ويخضع مشغلو مراكز البيانات لضغط مستمر لزيادة الكثافة المكمنة مع الحد من استهلاك الطاقة وتبريدها، وتعالج الرقائق المتخصصة هذه الطلبات المتنافسة بطرق ملموسة عديدة.

سرعة تجهيز المواد ومن خلال النواتج

ويمكن أن تؤدي رقائق AI نفس الحساب باستخدام دورات أقل بكثير من دورة ساعة وحدة التصوير المقطعي، ولإعداد نموذج مثل GPT-4، الذي ينطوي على تريليونات من البارامترات، يقاس الفرق في الأشهر مقابل الأسابيع أو حتى في الأيام، وبالإشارة إلى أن عملية استخدام نموذج مدرب على تحقيق فوائد التنبؤات - الفوائد يمكن أن تترجم كذلك، بينما يمكن أن تخدم وحدة إنتاجية واحدة من طراز H100 ألفاً من طلبات التوريد إلى أعلى في الثانية، بينما يمكن أن تكون هناك وحدة من وحدات خدمات عالية الجودة.

كفاءة الطاقة والاستدامة

ويُعد استهلاك الطاقة واحداً من أكبر النفقات التشغيلية في مركز البيانات، إذ تحقق المجهزات العاملة بالأجهزة الضوئية أداء أعلى بكثير من أداء وحدات الاستهلاك المكلورة بالأسعار الاستهلاكية، وتبين دراسة أجريت بواسطة NVIDIA أن الاستعاضة عن هذه المفاعلات القائمة على أساس اليورانيوم المشبع بالفلور مع تسارع اليورانيوم المشبع بالفلور يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة بالنسبة لحجم عمل معين بنسبة تصل إلى 80 في المائة.

وبالإضافة إلى الوفورات المباشرة في الطاقة، تخفض المعدات المتخصصة العدد الإجمالي للحواسيب المركزية اللازمة لمعالجة مهام أجهزة الاستعلامات الإلكترونية، وتدل الخواديم القليلة على انخفاض المساحة، وانخفاض متطلبات التبريد، وتخفض النفايات الإلكترونية، بل إن بعض مراكز البيانات تستكشف حلولاً لتبريد السائل مصممة خصيصاً لتجميعات عالية الكثافة، مما يزيد من تحسين الكفاءة.

Scalability for Growing AI Models

ويستمر حجم وتعقيد نماذج المقاييس في الارتفاع بشكل مطرد، حيث أن نماذج اللغات الحديثة تتضمن الآن مئات البلايين من البارامترات، والنماذج المتعددة الوسائط التي تجمع بين النص والصورة والفيديو في الأفق، ولا يمكن أن تُرفع وحدات الكميات المخصصة للأغراض العامة نطاقها لتلبية هذه المطالب دون تكاليف غير مقبولة وحيز مادي.

الوفورات في التكاليف على دورة الحياة الإجمالية

وفي حين أن الشرائح المجهزة بالأجهزة الاستنشاقية تحمل تكلفة أعلى، فإن التكلفة الإجمالية للملكية غالبا ما تكون أقل، فتجهيزها السريع يقلل الوقت اللازم للتدريب النموذجي، مما يقلل مباشرة من فواتير محاسبة السحاب، ويقلل كفاءة الطاقة من التكاليف الشهرية للمرافق، وبالإضافة إلى ذلك، فبسبب أن هذه الشرائح تعالج المزيد من العمل لكل خادم، يمكن للمنظمات أن تقلل من عدد الخواديم، وأن تنقذ على شراء المعدات والصيانة وتكاليف المرافق بنسبة 10 في المائة.

الأثر على عمليات مركز البيانات

ولا يؤدي إدماج المجهزات الدقيقة التي تعمل بالأجهزة الضوئية إلى تغيير طبقة المعدات فحسب، بل أيضاً إلى كيفية إدارة مراكز البيانات وتبريدها وتأمينها، بل إن الآثار المتأصلة تمس كل جانب من جوانب العمليات.

إدارة عبء العمل وتوزيع الموارد

وقد تدوم وظائف التدريب لأيام أو أسابيع، وتستهلك كل دورة مقارنات متاحة، بينما تظهر أعباء العمل التي لا يمكن التنبؤ بها ارتفاعا في الطلب، ويمكن للمجهزين المتخصصين، مقترنة ببرامجيات للتفتيش الذكية، أن يخصصوا موارد بصورة دينامية، وعلى سبيل المثال، يمكن لمركز بيانات يدير خدمات شبكة الإنترنت التي تستند إلى وحدة البرنامج والتنسيق، وبرامجيات ذات قاعدة بيانات محددة في مجال البنية التحتية.

كما أن أجهزة تجهيز المعلومات الحديثة تتضمن الدعم على مستوى الأجهزة من أجل الفرضية والتعددية، وتسمح تكنولوجيا نظام المعلومات الجغرافية في وكالة الاستخبارات الوطنية بتجزئة وحدة مادية واحدة إلى ما يصل إلى سبع حالات معزولة، وكل منها له ذاكرته وموارده المكمّلة، مما يتيح لمستعملين متعددين أو تطبيقات متعددة أن يتقاسموا شريحة واحدة مع ضمانات أمنية وأدوية قوية، مما يحسن كفاءة الموارد عموما.

التبريد والإدارة الحرارية

وتولد رقائق عالية الطاقة حرارة كبيرة، إذ يمكن لجهاز واحد من طراز H100 GPU أن يسحب 700 واط، كما أن الرف الممل به يمكن أن ينتج أكثر من 40 كيلوواط من الحمولة الحرارية، وتمتد عملية التبريد التقليدية بسرعة إلى حدودها في هذه البيئات، وتعتمد مراكز البيانات بشكل متزايد التبريد المباشر إلى الكبسولة، وتبريد الهواء، وأجهزة تبادل حراري لا تحافظ على درجات حرارة آمنة.

الموثوقية والارتقاء

ويمكن أن تستمر وظائف التدريب في مجال مكافحة الإرهاب لشهور، كما أن فشل المعدات الواحدة يمكن أن يكلف أياماً من التقدم المفقودة، وكثيراً ما تشمل المجهزات التي تعمل على استخدام تكنولوجيا المعلومات سمات لتحسين الموثوقية، مثل الذاكرة التي تصلح للأخطاء، والتكرار في مستوى الغذاء، والرصد الصحي المتوقع، وبالإضافة إلى ذلك، فإن صناع الرقائق يصممون فترة زمنية أطول بين الفشل، ويجمعون مع نقاط التفتيش على البرامجيات، والنموذج الموازي،

الأمن وحماية البيانات

ومع تزايد التعامل مع عبء العمل في مجال المعلومات الطبية الحساسة، فإن المعاملات المالية، وأمن المعلومات الشخصية، تصبح حاسمة، والكثير من المعجلات في مجال المعلومات الإدارية تشمل الآن مرساة للثقة القائمة على المعدات، وأجهزة آمنة للخيوط، وتشفير الذاكرة، مثلاً، حلول الحاسوب السرية التي توفرها الوكالة تمكّن من الحفاظ على البيانات المشفرة حتى في الوقت الذي يتم فيه تجهيزها بواسطة وحدة بيانات عالمية.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من مزاياها، فإن أجهزة تجهيزات دقيقة تعمل بالأشعة فوق البنفسجية ليست دواءاً للحلول، ويجب على مشغلي مراكز البيانات أن يُبحروا بعدة تحديات عند اعتماد هذه الرقائق.

الاستثمار في رأس المال

ويتطلب نشر أحدث المعجلات في مجال التنفيذ رأس مال كبير في البداية، ويمكن أن يكلف وحدة واحدة من أعلى المستويات مبلغ 000 30 دولار أو أكثر، ويمكن أن تتجه مجموعة كاملة إلى الملايين، أما بالنسبة لمقدمي أماكن العمل والمشاريع الصغيرة، فيمكن أن يكون ذلك باهظا، غير أن مقدمي السحابات يقدمون إمكانية الحصول على هذه الرقائق على أساس الدفع لكل استخدام، مما يخفف من الحاجة إلى الاستثمار المباشر.

برمجيات النظم الإيكولوجية

وتأتي كل منصة المعالجات بحزمة برامجياتها الخاصة (البرنامج العالمي للتنمية الزراعية، وشبكة الموارد الطبيعية في أفريقيا، وشبكة تينسورفلو لشبكة التجارة في الخدمات، وشبكة الإنترنت المفتوحة لمراكز العمل المعنية بالإجراءات المالية المتعلقة بالنظم التجارية، ويمكن أن تكون نماذج الوصل بين البرامج تستغرق وقتا طويلا وقد تتطلب خبرة متخصصة، وتتجه الصناعة نحو أطر موحدة مثل نظامي " أونكس " و " بي تورتش " ، ولكن التشغيل البي تولتش " لا يزال يعمل على نحو التشغيل المتبادل.

تحسين الهياكل الأساسية للطاقة والتبريد

وكثيرا ما يتطلب الارتقاء إلى معدات عالية الكثافة إدخال تغييرات على المرافق، إذ يجب أن يوضع توزيع الطاقة، والمولدات الاحتياطية، ونظم التبريد من أجل تحميلات أعلى بكثير، ويمكن أن يكون إعادة تجهيز مراكز البيانات القائمة مسببا للاضطرابات والمكلف، ويجب أن تخطط التشييد الجديد للكثافة البالغة 50 كيلوواط في كل ثكنة أو أكثر، وهو خروج عن المعيار 5-10 كيلوواط في كل ثكنة نموذجية من عمليات النشر القائمة على وحدة مكافحة التلوث.

سلسلة الإمدادات

وقد أبرز نقص الموصلات شبه الموصلية العالمية ضعف الاعتماد على الرقائق المتخصصة، إذ تتطلب المعجلات في مجال التنفيذ عمليات نسيج متقدمة (5 ملم، 3nm)، تكون مُقيدة بالقدرات، كما أن التوترات الجيوسياسية يمكن أن تؤثر على العرض، ويجب على مراكز البيانات أن تُدير بعناية المخزون وأن تنظر في التنويع عبر البائعين.

التوقعات المستقبلية

ولا يظهر تطور المجهزات الدقيقة التي تعمل بالأجهزة الضوئية أي علامات على التباطؤ، وسيشكل العديد من الاتجاهات الجيل القادم من كفاءة مراكز البيانات.

مراكب ومواد جديدة

وتسمح البحوث في تكنولوجيات ما وراء البحار مثل الحواسيب الضوئية، ورقائق الأعصاب، ومعجلات الكمي، بل وتبشر بمزيد من الأداء والكفاءة في استخدام الطاقة، وتستكشف شركات مثل إنتل والآلية الدولية للأخشاب البنى التي تجمع بين نظامي التغذية المتعدد التخصصات (وحدة الاتصالات، ووحدة المشتريات، وأجهزة تعجيل التنفيذ، والذاكرة) في مجموعة واحدة من المهام عن طريق عملية متطورة للترابط (مثلا، عملية UCI).

التكامل مع إدج وكلود

ولا تقتصر رقائق المعلومات المتحركة على مراكز البيانات المركزية، إذ أن مراكز البيانات القائمة والخواديم الموجودة حالياً تدمج بشكل متزايد وحدات الشرطة الوطنية الوطنية ووحدات التخطيط العالمي الصغيرة لتجري عمليات الاختبار محلياً، مما يقلل من متطلبات الرطوبة وزوارق النطاق، وستصبح التفتيشات غير المستقرة بين أجهزة الحواف ومراكز البيانات الإقليمية ومراكز السحاب المركزية قدرة أساسية، مع وجود مجهزين متخصصين في كل طبقة.

الاستدامة كشرط أساسي للتصاميم

ويعطي مصممو الرقائق ومشغلو مراكز البيانات الأولوية للاستدامة، ومن المرجح أن تشمل المجهزون المستقبليين إدارة أكثر عدوانية للطاقة، واستخدام المواد المعاد تدويرها، والتصميمات التي تُستخدم على الوجه الأمثل للاقتصاد الدائري، وستصبح مراكز البيانات التي تُدار بالكامل بواسطة الطاقة المتجددة وتُبرد بواسطة النظم غير القائمة على المياه هي القاعدة، مع قيام رقائق مجهزة بالأجهزة الاستنشاقية بدور مركزي في الحد من آثار الكربون في الضبط.

التوسيع - الهاردواري

فالخط الفاصل بين المعدات والبرامجيات غير واضح، إذ تقوم الشركات بتطوير مجمعات وزوابق تشغيلية تقوم تلقائياً برسم خرائط لأعباء العمل في مجال التنفيذ إلى أكفأ المعدات المتاحة، بصرف النظر عن البائعين، مما سيقلل من الحاجز الذي يحول دون اعتماد رقائق متخصصة ويتيح لمراكز البيانات أن تخلط وتتطابق مع المعجلات دون تلقين يدوي معقد، كما أن زيادة عدد مجموعات التعليمات من الأجهزة المفتوحة المصدر (مثل نظام " RISC-V " ).

خاتمة

وقد أعادت بالفعل أجهزة تجهيزات صغيرة تعمل بالشبكة المتكاملة لشبكة المعلومات الاقتصادية تشكيلها، مما مكّن من زيادة سرعة استخدام الطاقة وزيادة قدرة عمليات أجهزة التصاميم الإلكترونية، ومن مقدمي خدمات السحب على نطاق واسع إلى مرافق الضبط في المؤسسات، فإن اعتماد المعدات المتخصصة لم يعد اختياريا ولكنه ضروري للبقاء على مستوى القدرة التنافسية، وفي حين أن التحديات القائمة حول التكلفة والبرامجيات والهياكل الأساسية ما زالت قائمة، فإن أفضل نقاط المسار الطويل الأجل نحو إدخال شرائح أكبر من حيث القوة والكفاءة في النظم الإيكولوجية المحتملة للاستثمار.