PPC در برنامه نویسی به معنای محاسبات موازی یا Parallel Programming Computing است که به اجرای همزمان چندین محاسبه یا فرآیند روی چند پردازنده اشاره دارد. این مفهوم با مدل سنتی برنامه نویسی که در آن دستورات به صورت پشت سر هم اجرا می‌شدند متفاوت است و هدف اصلی آن افزایش چشمگیر سرعت پردازش می‌باشد. در دنیای امروز که با حجم عظیمی از داده‌ها سر و کار داریم یادگیری این مفهوم برای هر توسعه دهنده‌ای که قصد دارد برنامه های مقیاس پذیر بسازد ضروری است. ما در این مقاله از سایت کدیتی ابعاد مختلف این تکنولوژی را بررسی می کنیم.

تفاوت برنامه نویسی ترتیبی و موازی

در برنامه نویسی سنتی یا ترتیبی دستورات به ترتیب یکی پس از دیگری توسط پردازنده اجرا می‌شوند که این کار در پروژه‌های سنگین باعث ایجاد گلوگاه می شود. اما PPC در برنامه نویسی اجازه می‌دهد تا یک مسئله بزرگ به بخش های کوچک‌تر تقسیم شده و هر بخش به صورت همزمان روی یک هسته جداگانه پردازش شود. این تغییر رویکرد باعث می‌شود زمان اجرای برنامه‌ها از چندین ساعت به چند دقیقه کاهش یابد. این قابلیت به خصوص در سیستم هایی که دارای پردازنده‌های چند هسته ای هستند پتانسیل های سخت افزار را به حداکثر می‌رساند.

نقش محاسبات موازی در هوش مصنوعی

یکی از بزرگترین حوزه‌های کاربرد PPC در برنامه نویسی بخش هوش مصنوعی و یادگیری ماشین است. آموزش مدل‌های عمیق نیاز به انجام میلیاردها محاسبه ریاضی دارد که انجام آن‌ها به صورت ترتیبی سال‌ها طول می کشد. با استفاده از تکنیک‌های موازی سازی می‌توان این محاسبات را روی صدها هسته پردازشی توزیع کرد تا سرعت آموزش مدل‌ها چندین برابر شود. به همین دلیل است که امروزه کتابخانه‌های محبوبی مثل تنسورفلو به شدت بر پایه اصول محاسبات موازی طراحی شده اند تا بهترین کارایی را ارائه دهند.

مدیریت حافظه در سیستم‌های موازی

مدیریت حافظه یکی از چالش‌های اصلی در هنگام استفاده از PPC در برنامه نویسی است زیرا چندین پردازنده ممکن است به صورت همزمان بخواهند به یک داده دسترسی داشته باشند. دو مدل اصلی برای مدیریت این فضا وجود دارد که شامل حافظه مشترک و حافظه توزیع شده می‌باشد. در مدل حافظه مشترک همه هسته‌ها به یک فضای واحد دسترسی دارند اما در مدل توزیع شده هر پردازنده حافظه مخصوص خود را دارد و از طریق پیام با دیگران ارتباط برقرار می‌کند. انتخاب مدل درست بستگی به نوع سخت افزار و پیچیدگی نرم افزاری دارد که شما در حال توسعه آن هستید.

کاربرد محاسبات موازی در پردازش تصویر

پردازش تصویر و تدوین ویدیو از دیگر حوزه‌هایی هستند که به شدت به PPC در برنامه نویسی وابسته می‌باشند. هر تصویر از میلیون‌ها پیکسل تشکیل شده و اعمال یک فیلتر ساده روی آن نیاز به تکرار یک عملیات برای تک تک این پیکسل‌ها دارد. با استفاده از برنامه نویسی موازی می‌توان تصویر را به قطعات مختلف تقسیم کرد و هر بخش را به صورت جداگانه پردازش نمود. این کار باعث می‌شود که نرم افزارهای گرافیکی بتوانند تغییرات را به صورت لحظه ای و بدون تاخیر به کاربر نشان دهند که تجربه کاربری بسیار بهتری ایجاد می‌کند.

چالش‌های پیاده سازی برنامه نویسی موازی

با وجود مزایای فراوان پیاده سازی PPC در برنامه نویسی کار ساده‌ای نیست و با چالش‌هایی مثل بن بست یا Deadlock همراه است. بن بست زمانی رخ می‌دهد که دو فرآیند منتظر آزاد شدن منابع توسط یکدیگر می‌مانند و در نتیجه کل برنامه متوقف می‌شود. همچنین اشکال زدایی یا دیباگ کردن این کدها بسیار سخت‌تر از کدهای معمولی است چون ترتیب اجرای دستورات همیشه ثابت نیست. توسعه دهندگان حرفه ای باید با استفاده از ابزارهای مانیتورینگ دقیق رفتار هسته‌ها را زیر نظر بگیرند تا از بروز چنین تداخلاتی جلوگیری کنند.

ابزارها و زبان‌های پشتیبان از محاسبات موازی

بسیاری از زبان‌های مدرن قابلیت‌های داخلی برای پشتیبانی از PPC در برنامه نویسی را در اختیار توسعه دهندگان قرار می‌دهند. زبان‌هایی مثل سی پلاس پلاس با استفاده از OpenMP و زبان پایتون با استفاده از کتابخانه های چند پردازشی امکان موازی سازی را فراهم کرده‌اند. همچنین برای محاسبات فوق سنگین از فریمورک هایی مثل CUDA استفاده می شود که اجازه می دهد برنامه نویس از قدرت کارت گرافیک برای محاسبات عمومی استفاده کند. آشنایی با این ابزارها به شما کمک می‌کند تا نرم افزارهایی با کارایی بسیار بالا و استاندارد جهانی تولید کنید.

تاثیر محاسبات موازی بر توسعه وب و بک اند

در حوزه وب نیز PPC در برنامه نویسی نقش مهمی در مدیریت درخواست های همزمان کاربران ایفا می کند. وقتی هزاران کاربر به صورت همزمان به یک سایت مراجعه می کنند سرور باید بتواند بدون افت کیفیت به همه آن ها پاسخ دهد. استفاده از تکنیک های موازی سازی در سمت بک اند اجازه می دهد تا هر درخواست در یک رشته مجزا پردازش شود و منابع سرور بهینه تر مصرف گردند. این موضوع به خصوص در سیستم های توزیع شده و میکروسرویس ها که پایه و اساس وب مدرن هستند اهمیت دوچندان پیدا می کند.

آینده محاسبات موازی و رایانش کوانتومی

آینده PPC در برنامه نویسی با ظهور رایانش کوانتومی گره خورده است که می تواند انقلابی در سرعت پردازش ایجاد کند. کامپیوترهای کوانتومی ذاتا برای انجام محاسبات موازی در ابعاد بسیار بزرگ طراحی شده‌اند و می‌توانند مسائلی را حل کنند که ابرکامپیوترهای فعلی از انجام آن عاجز هستند. اگرچه هنوز در مراحل اولیه این تکنولوژی هستیم اما یادگیری تفکر موازی به شما کمک می‌کند تا برای نسل بعدی نرم افزارها آماده باشید. برنامه نویسانی که امروز بر این مفاهیم مسلط می‌شوند در آینده ای نزدیک به مهره های کلیدی شرکت های بزرگ تبدیل خواهند شد.

جمع بندی نهایی اهمیت برنامه نویسی موازی

به طور خلاصه PPC در برنامه نویسی کلید رسیدن به سرعت و کارایی بی نظیر در نرم افزارهای مدرن است. از هوش مصنوعی و گرافیک گرفته تا مدیریت سرورهای پر ترافیک همگی به نوعی از این مفهوم قدرت می گیرند. اگرچه یادگیری و پیاده سازی آن چالش های خاص خود را دارد اما نتیجه نهایی که همان خلق برنامه های بسیار سریع است ارزش این سختی را دارد. ما در کدیتی همیشه تلاش می کنیم تا پیچیده ترین مفاهیم دنیای کدنویسی را با زبانی ساده و کاربردی برای شما عزیزان کالبدشکافی کنیم.