Not: Orijinal olarak TurkCADCAM.net Dergisi 2. Sayısı için hazırlanmış bu makale, ilk kez Nisan 2007'de TurkCADCAM.net Portalı'ndan yayınlanmaya başlamıştır.

Grid yada Ağ'ın Gelişimi

Bilgisayarın ilk icadından bu yana büyük ölçekli hesaplama ve veri işlemleri için birçok strateji geliştirildi. Öncelikle hesaplama hızı yüksek, hafızası ve veri saklama kapasitesi büyük bilgisayar sistemleri ve destek birimleri yükselen değer olarak algılandı. Bu sistemler paralel ve vektör işlemciler ile paylaşımlı hafıza ve disk sistemlerini içerdiği gibi dağıtılmış hafıza ve veri depolama birimlerini de içermekte idi. Özel amaçlı olarak tasarlandığı için bakım ve onarım hizmetleri de ilk maliyeti kadar yüksek olabilmekte idi. Firma ve kuruluşların bilişim birimlerinin bir parçası olan bu sistemler, doğal olarak kuruluşların merkezi kontrol mantığı çerçevesinde şekillendi ve adeta donanım, yazılım ve veriler dahil her şey kale surları içinde olmalı şeklinde algılandı.  

Kişisel bilgisayarların ve ağ yapılarının yaygınlaşması ile daha ucuz maliyetli toplama/mağazalardan temin edilebilen donanım ve yazılımlardan oluşturulabilen küçük ölçekli paralel sistemler de ara çözüm olarak gelişti. Günümüzde yaygınlaşan çözüm ise daha çok eski stratejiyi, internet teknolojileri, geniş iletişim ağları, güvenli fakat açık yazılım sistemleri ile birleştiren bir yaklaşım olarak gelişmektedir.

Ağ için eğer bir benzetme yapmak gerekir ise en doğru olanı elektrik santrallerinin birbirine bağlandığı "Elektrik Ağı" düşünülebilir. Evimizdeki elektriğin nereden geldiğini bilmemiz gerekmez. Çünkü önemli olan kesintisiz gelmesidir ve düşük maliyettir. Onun Keban barajından veya yurt dışından geldiği düşünmeyiz bile. Firmalar, okullar, farklı birimlerden oluşan kuruluşlar kendi içlerinde veya kurumlar arası bilgisayar ve veri sistemlerini birleştirilerek, kuruluşun birimleri arasındaki paylaşımı artıracağı gibi iktisat kuralları gereği üretilen hizmetin maliyetini düşürüp ve kalitesini de yükseltebilirler. Böyle bir sisteme günümüzde genel olarak verilen isim ise 'Grid' veya 'Ağ' dır.

Grid veya Ağ'ın birleşim noktalarında yer alan birimler, mikro-işlemcilerden veri sistemlerine kadar paylaşılabilecek her şeyi içerebilmektedir. Örneğin, şehrin farklı noktalarına yerleştirilmiş video kamera verilerini talep eden güvenlik birimlerine ulaştıran sistemler, evlerimizdeki kişisel bilgisayarları kullanılmadığı zamanlarda dünyanın bir diğer şehrinde yaşayan kişi/kuruluş tarafından kullanılmasına imkan sağlayan sistemler, şirketlerin farklı şehirlerdeki birimleri arası veri paylaşımını sağlayan sistemler "Ağ" uygulaması içine giren sistemlerdir.

Ağ (Grid) Sistemleri

Son birkaç yıl içerisinde hızlı bir gelişim seyreden Ağ yapılanmasına farklı ülkelerden ve kıtalardan pek çok örnek verilebilir. Aşağıdaki şekilde, Amerika'daki mevcut hesaplama ağlarından büyük bilimsel ölçeklerdeki araştırmalar için kullanılan ve bütün araştırmacılarına açık olan TeraGrid (www.teragrid.org) verilmiştir. TeraGrid, 8 ayrı bilgisayar merkezin birleştirilmesi ile oluşturulmuş olup, toplam hesaplama gücü olarak 20 TeraFlop'ın üzerinde bir hız vermektedir. Bu rakam artmaktadır (1 TeraFlop saniyede 1 trilyon aritmetik işlem hızı demektir). Pratik bir karşılaştırma olması amacıyla diyebiliriz ki yaklaşık olarak 8 bin masa üstü bilgisayarın birleştirilmiş gücüne eşdeğerdir. Bu hız ile dünyanın en hızlı müstakil olarak kullanılan süper bilgisayarı ile yarışabilmektedir (www.top500.org). En hızlı paralel bilgisayar sistemi ise IBM BlueGene/L 280TeraFlop gücünde ve 131,000 mikro-işlemciye sahiptir). Bu rakamlar bir yıl içinde sürekli artmaktadır.  

Amerika'daki akademik amaçlı hesaplama ağlarından biri olan TeraGrid

Aşağıda bazı ağ sistemlerinin ayrıntıları verilmiştir:

Ağ üzerindeki uygulamalardan bir örnek

TeraGrid Ağı ortamında büyük ölçekli sayısal işlem gerektiren problemleri çözebilmek mümkündür. Bunun için Amerika'da yaşayan ve akademik araştırmalar yapan kişiler olmak gerekmektedir. Kullanıcıya mikro işlemci-CPU kullanım saati türünden bir kaynak verilmektedir. Kullanıcı programını çalıştırdıkça ücreti işlemci kulanım zamanı türünden kendisinden tahsis edilmektedir. Destekleyici kuruluş olan Milli Bilim Vakfı (National Science Foundation, Türkiye'de TÜBİTAK'ın karşılığı) için önemli olan süper hesaplama kaynaklarının kullanımının yaygınlaşması ve TeraFlops ölçekli hesaplama gücü ile bilimsel keşiflerin yapılabilmesine ortam hazırlayabilmektir. Bu sayede küresel düzeyde atmosfer içi hava ve gaz akışlarının daha küçük çözünürlülük kullanılarak modellenmesi, nano-ölçekli problemlerin moleküler düzeyde simülasyonu, hava ve uzay araçlarının yapısal, akış, kimyasal, ve kontrol sistemleriyle beraber gerçek zamanlı simülasyonları mümkün olabilmektedir.

Aşağıdaki şekilde TeraGrid ortamında yapılmış bir akış analizi verilmiştir.  DLRF6 isimli deneysel verileri olan bir uçak etrafındaki akış modellemesi yapılmıştır. Bu problem daha önce bahsedilen TeraGrid şebekesinin bir parçası olan NCSA'in IA-64 Linux sisteminde çözülmüştür. Bu sistem, 1.3Gz ve 1.5GHz hızlı 887 adet çift-işlemcili Intel-Itanium mikro-işlemciye sahiptir. Maksimum hesap hızı ise 6 TeraFlops civarındadır. İşlemciler arası şebeke ise Gigabit hızındadır. Bu problem 18 milyon adet tetrahedral geometrili (4 yüzlü) çözüm ağı içermektedir. Çözüm ağı 512 parçaya bölünmüş ve her bir parça bir işlemcide çözülerek toplam 512 mikro-işlemciye dağıtılmıştır.  

Kullanılan sayısal akışkanlar dinamiği programı ise ODTÜ/Ankara ve Purdue/Indiana üniversitelerinin araştırma laboratuarlarında doktora tezi çerçevesinde geliştirilmiş olan PACER3D akış analiz programıdır [Ref 1].  Bu program araştırma amaçlı olmak üzere isteyenlere verilebilmektedir. Toplam hesaplama 512 işlemci üzerinde 36 dakika sürmüştür. Eğer bir işlemci kullanılmış olsa idi çözüm süresi yaklaşık olarak 11 gün olacaktı. Parallel hesaplama verimliliği ise %88 olarak tespit edilmiştir.

DLRF6 uçak akış analizi

DLRF6 uçağı 512 parçalı çözüm ağı

DLRF6 uçağı gövde civarındaki çözüm ağı

DLRF6 uçağı kanat gövde birleşiminde çözüm ağı

İş dünyası gözüyle Ağ'a bakış

İş dünyası Ağ teknolojisine, eğer varsa, Bilişim Birimleri aracılığı ile bakmaktadırlar. Dolayısı ile Ağ teknolojisinin bir kuruluşa giriş noktasını bu birimler oluşturmaktadır. Temel itici güç firmaların maliyeti düşürmek ve verimliliği artırma stratejileridir. Bunun içinde Bilişim yöneticilerinin bu konuda bilgilendirilmeleri bu teknolojinin iş dünyasına kazanımını hızlandıracaktır. Bunun için günümüz Ağ teknolojisi kullanımının sanayi ve topluma yayılması (diffusion) aşağıdaki şekilde değerlendirilebilir:

• Ağ yapılanmasını bir "yenilik" (innovation) olarak kabul edilmektedir.
• Şu anda pek çok birey ve kuruluş bu yeniliği "yeni benimseyenler" (early adopter) dir. Bunlar çoğunlukla gelişmiş ülkelerde ve tasarım ve araştırma için bilgisayar kullanımı yoğun olan kuruluşlardır. 
• Pek çok kuruluş gerek sanayi gerekse araştırma kuruluşları olsun henüz "farkında olma"  (awareness) aşamasındadırlar.
• Ağ ile ilgili olarak iletişim (communication network) genelde profesyonel özel ilgi grupları arasında olmakla beraber zaman zaman kitle iletişim  (mass media) araçlarına da yansımaktadır. Fakat kuruluşların bilişim yöneticileri Ağ hakkındaki haberleri genelde yakından  takip etmektedirler.
• Ağ hesaplamasının karmaşıklığı (complexity) genelde yüksek olarak algılanmakla beraber karşılaştırılmalı avantajı da (relative advantage) standartları oluşur oluşmaz yatırım yapılma ihtimali de yüksek olarak algılanmaktadır.
• Bazı kuruluş ve şirketler Ağ teknolojisini henüz benimsemişlerdir (already adopted).

Ağ teknolojisi ile tanıştıktan sonra bunun şirket veya kuruluş için yatırıma uygun olup olmadığı çok dikkatli bir şekilde değerlendirilmelidir. Öncelikle aşağıdaki konulara dikkat çekmek çok önemlidir:

• Yakın ve uzun vadeli olarak ihtiyaç duyulan hesaplama gücü ve kapasitesinin değerlendirilmesi,
• Mevcut sistemde ki kapasite kullanımı,
• Mevcut sistemin kapasite, verimlilik ve performans yönüyle rakip şirket veya kuruluşların kullandıkları sistemlerle karşılaştırılması,
• Ağ sistemine geçiş ile maliyet azaltılması ne olduğu,
• Ağ sistemini tamamen kurup işletmeye başlayınca rekabete yönelik avantajın ne olduğu,
• Ağın veri işlemek için mi yoksa hesaplama için mi olacağı,
• Son olarak, bilişim birimleri arasında bu sistem hakkında bir anket yapılıp personel, yapılanma, ve strateji yönüyle iç direnç olup olmayacağının belirlenmesi. Eğer kuruluşta yukardan aşağı katı hiyerarşik bir düzen varsa buna gerek olmayabilir.

Ağ teknolojisi ve yapılanmasının dikey ve yatay gelişimini dikkate alırsak yakın gelecekte daha da yaygınlaşacağını ve internet üzerinden çok sayıda mikroişlemcili sistemlerin kullanımının yaygınlaşacağını söyleyebiliriz. Aşağıda ağın gelişim seyri verilmiştir:

Ağın zamana göre farklı sınıflar içindeki yayılımı:

Sonuç ve Öneriler

Ağ teknolojisi ve yapılanması gerek bilimsel gerekse ticari amaçlı olsun Ar-Ge çalışmalarının olmazsa olmaz bir unsuru olma yolundadır. 21. yüzyılın bilim kaşiflerinin sayısal modelleme yapmaları için adeta okyanus araştırmacılarının denizlerin mavi derinliklerine inebilen laboratuar denizaltıları gibidir. Erişilebilir hesaplama gücü ile molekül ve parçacık düzeyinde sayısal modellemeler mümkün olabilmektedir. Gelişmiş ülkelerde bu süreç kararlı bir düzeye gelmek üzere ve her yıl daha da yaygınlaşmaktadır.

Ülkemiz açısından henüz yeni bir kavram olan Ağ teknolojisinin Türkiye'de kurulması ve işler hale getirilmesi kısa sürede gerçekleştirilebilir. Bunun için iki ayrı yol takip edilebilir. Birincisi, eğitim kurumlarına açık Ar-Ge amaçlı çok-ortaklı bir yatırım ve yönetim yapısına sahip bir merkezin kurulması. Buna üniversitelerin önderlik edebileceği gibi TÜBİTAK çerçevesinde yapılandırılıp yatırım kaynağı oluşturulabilir. Diğeri ise sanayi-kamu ortaklı bir yapılanma ile destekleyenlerine katkıları oranında mikroişlemci zamanı tahsis eden bir yapılanmaya gidilebilir. Örneğin 256 mikroişlemcili bir sistem kurulup araştırma birimlerinin ve firmaların bilgisayar destekli tasarımcılarının kullanımına açılabilir. Bunun maliyeti 300-600 bin YTL arasında değişebilir. Bu sistemi paket halinde yurt dışından almak yerine iç piyasa ürünleri kullanarak ta oluşturmak büyük oranda mümkün olabilecektir.

Not: Parantez içinde verilen yabancı kelimeler İngilizce olup tercümede muhtemel kayıpları önlemek için verilmiştir.

Ağ ile ilgili bazı kaynaklar:

• Globus Project: www.globus.org 
• Grid Forum: www.gridforum.org
• Book (Morgan Kaufman): www.mkp.com/grids
• Grid Computing: www.gridcomputing.com
• Grid Computing Planet:  www.gridcomputingplanet.com