دوشنبه 30 مهر 1397 | Monday 22 nd of October 2018 صفحه اصلی گروه الکترونیکی کامپیوتر
3-5-3- کاربردهای کودا

- زمینه: فیلم و سرگرمی

نام نرم‌افزار: Weta Digital PantaRay

توسعه دهنده: Weta Digital

در حوزه فیلم و سرگرمی، شرکت Weta Digitalیکی از نخستین شرکت‌هایی است که از قدرت GPUبرای رندر تصاویر استفاده کرده است. مهم‌ترین دلیل حرکت این شرکت به این سمت، وجود محیط‌های بسیار پیچیده و بسیار زیاد کامپیوتری در فیلم اواتار بود که رندر ان‌ها یکی از مهم‌ترین چالش‌های شرکت به شمار می‌امد. به همین دلیل، با همکاری یکی از متخصصان شرکت NVIDIAو انجام تحقیقات روی پلتفرم اختصاصی Weta Digital VFX Pipeline، نرم‌افزار برای استفاده از فناوری کودا و پردازش موازی سنگین روی GPUبهینه سازی شد و یک موتور پیش پردازش برای انجام فرایند ردیابی پرتو[1] به ان اضافه شد. با استفاده از این موتور پردازش جدید، سرعت فرایند ردیابی پرتو در مقابل حالت‌های سنتی استفاده از CPUچیزی حدود 25 برابر افزایش یافته است. همچنین، در مقایسه با فناوری‌های سابق، سرعت این فرایند چیزی حدود صد برابر افزایش یافته است  که به میزان بسیار زیادی در کاهش زمان و هزینه تولید تاثیر داشته است.

2- زمینه: سیستم‌های جغرافیایی

نام نرم‌افزار: Manifold

توسعه دهنده:Manifold

نرم‌افزار Manifoldبا استفاده از امکانات پردازش موازی کارت‌های گرافیکی NVIDIA، تنها نرم‌افزار GISموجود در بازار است که برای رندر لایه‌های تصویری و سه بعدی از امکانات کودا به صورت خودکار استفاده می‌کند. این نرم‌افزار که امکان استفاده از حداکثر 1024 هسته پردازشی گرافیکی را دارد، سرعت رندر لایه‌های تصویری و سه بعدی را به شدت افزایش می‌دهد. در ساده‌ترین حالت، نرم‌افزار فوق می‌تواند عملیاتی را که رندر کردن ان به دو دقیقه زمان نیاز دارد با استفاده از کودا در سه ثانیه انجام دهد.

3- زمینه: نفت و گاز

نام نرم‌افزار: SEA 3D Pro

توسعه دهنده: ffA

فناوری کودا پیشرفت‌های بسیاری را در زمینه تصویر نگاری اعماق و همچنین تحلیل لرزه‌ها و ارائه بصری داده‌های لرزه نگاری به ارمغان اورده است. نرم افزار‌های SVI Pro  و SEA 3D Proبا استفاده از امکانات محاسباتی پیشرفته GPU، داده‌های لرزه‌نگاری‌های زمین را با سرعتی بالا به‌صورت سه بعدی به نمایش در‌می‌اورند و به همین دلیل فرایند اکتشاف و همچنین بازرسی چاه‌های نفت و گاز را بیش از پیش اسان کرده‌‌اند.

4- زمینه: محاسبات شیمیایی (داینامیک مولکولی)

نام نرم‌افزار: Molecular Modeling

توسعه دهنده: University Of  Illinois

افزایش قدرت پردازشی سیستم‌های کامپیوتری، زمینه شبیه‌سازی بیومولکولی را (از پروتئین‌های ایزوله در محیط حلال گرفته تا توده‌های پیچیده چربی) گسترش داده است. چنین سیستم‌هایی که به راحتی می‌توانند شبیه‌سازی روابط و عملکرد بیش از یک میلیون اتم را در بر‌گیرند، محاسبات سنگین و بسیار زمان بری را به سخت‌افزار تحمیل‌می‌کنند. به رغم حجم پردازشی بسیار بالا، با استفاده از قدرت پردازشی GPUو الگوریتم‌های شتاب یافته موازی، محاسباتی که قبلا به چندین ماه زمان نیاز داشت، به سادگی و در چند روز انجام پذیرفته و سرعت تحقیقات در این زمینه به شدت افزایش یافته است. همچنین، در زمینه محاسبه شکل و نمایش سه‌بعدی اربیتال‌های مولکول‌ها و تحقیقات مربوط به این زمینه، استفاده از قدرت GPUو الگوریتم‌های مرتبط، حداکثر افزایش سرعتی برابر با 125 برابر را به ارمغان اورده است. کاربردهای کودا در زمینه شیمی به‌صورت اجمالی عبارتند از‌: داینامیک مولکولی، مطالعات در رابطه با اشکال سه بعدی اوربیتال‌های مولکول، تحقیقات در زمینه جای‌گذاری یون‌ها، محاسبه پیشرفته مجموع بار الکتریکی و تحلیل واکنش‌های شیمیایی با حضور انرژی رادیویی و نور.

5- زمینه: فناوری زیستی و بیوانفورماتیک

نام نرم‌افزار: LISSOM

توسعه دهنده: University of  Edinburgh

با عرضه پردازنده‌های موازی پیشرفته در کارت‌های گرافیکی و فناوری کودا، امکان شبیه سازی عملکرد سلول‌های عصبی و روابط بین ان‌ها به سادگی فراهم شده است. یکی از پروژه‌هایی که بااستفاده از این امکانات توسعه داده شده، پیاده سازی جزئی مدل توسعه کورتکس بصری انسان است که در دانشگاه ادینبورگ در انگلستان اغاز شده و در حال توسعه است. پایه و اساس این پروژه بر مبنای شبیه سازی روابط اصلی نرون‌ها با استفاده از قوانین ساده اموزشی در مقابل همبستگی‌های بصری وارده به مغز و همچنین منابع فعالیت‌های درونی و سپس تحقیق درباره چگونگی ساختار یافتن کورتکس در انسان و حیوانات ازمایشگاهی است. ماهیت الگوریتم این مدل سازی، بر پایه پردازش موازی و محاسبات سنگین شبکه‌های عصبی است که بدون استفاده از کودا، پیاده‌سازی ان امکان پذیر نبود.

6- زمینه: الکترومغناطیس

نام نرم‌افزار: FDTD Solvers

توسعه دهنده: Accelerware

روش [2]FDTDیکی از فراگیر‌ترین روش‌های محاسبات برای مدل‌سازی مسائل مختلف مهندسی است که با امواج الکترومغناطیسی و نحوه رفتار ان در موراد مختلف سر و‌کار دارد. این روش در موارد زیر کاربرد دارد:

- بهینه‌سازی طراحی برای حداکثر انتن دهی در سیستم‌های رادیویی، تلویزیونی و راداری

- طراحی مدارات مایکرو ویو

- بررسی تاثیر امواج الکترومغناطیسی بر بدن انسان در زمینه‌های ارتباطات و پزشکی

- بررسی رفتار نور مرئی در زمینه‌های کریستال‌های فوتونیکی، نانو پلاسمونیک (انتقال داده با فیبر نوری در مقیاس نانو) و بیوفوتونیک

5- زمینه: اقتصادی و مالی

نام نرم‌افزار: SciFinance

توسعه دهنده: SciComp Inc

فناوری کودا و مفهوم استفاده از واحد‌های پردازشی موازی موجود در GPUدر افزایش سرعت محاسبات در حوزه تجاری و مالی نیز تاثیر شگرفی داشته است. امروزه، نرم‌افزارهایی چون SciFinanceبا استفاده از قدرت پردازشی GPUو الگوریتم‌های موازی بهینه‌سازی شده، محاسبات مربوط به مدل‌های مالی، مدیریت ریسک، ارزیابی و پیش‌بینی بازار و قیمت‌گذاری را در زمانی بسیار کمتر از قبل و با افزایش سرعتی بین بیست الی دویست برابر انجام می دهند. نتیجه این محاسبات، روند کار و عملکرد فعالان بخش مالی و تجاری از جمله بانک‌ها، سرمایه‌گذاران، مؤسسات مالی و دولت‌ها را متحول کرده است.

8- زمینه: پزشکی

نام نرم‌افزار: AxRecon

توسعه دهنده: Accelerware

امروزه، حجم عظیمی از داده‌ها توسط فناوری‌های تصویرنگاری پزشکی همچون SCAN، CT، MRI، PETو پزشکی هسته‌ای تولید‌می‌شوند که نیاز مشترک همه این فناوری‌ها، فشرده‌سازی و ارسال تصویر در کوتاه‌ترین زمان ممکن با بالاترین کیفیت است. فشرده سازی تصاویر با استفاده از روش Waveletیکی از راهکارهای فشرده‌سازی مناسب با دقت تفکیک دلخواه است که با اجرا توسط پلتفرم Jacketدر نرم‌افزار Matlabو به کمک  پردازنده‌های گرافیکی به سرعتی بسیار بالاتر از گذشته دست یافته است. اجرای این فشرده‌سازی روی یک GPUتسلا C1060در مقایسه با یک پردازنده Xeon، 38برابر سریع‌تر است.

فناوری بازتولید عکس‌های سه بعدی تشخیصی از روی مجموعه‌ای از تصاویر برداشته‌شده با اشعه Xاز فناوری‌هایی است که همواره با چالش توان محاسباتی مواجه بوده است. اما پس از عرضه کودا و قابلیت‌های مناسب ان در اجرای الگوریتم‌های محاسباتی سنگین به صورت موازی، شرکت Accelewareبا عرضه AxRecon، سرعت بازسازی عکس‌ها و اجرای الگوریتم‌های محاسباتی مربوط را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. مزایای این سیستم را می‌توان سرعت بیشتر در تولید عکس‌ها، عدم کاهش کیفیت تصاویر، کاهش حجم و فضای مورد نیاز سخت افزار و کاهش مصرف انرژی ان و افزایش دقت تصاویر ساخته‌‌شده دانست.

 کاربردهای دیگر کودا در زمینه پزشکی عبارتند از:

- مانیتورنیگ مغز در حین عمل جراحی با سرعتی بیشتر

- طیف سنجی مادون قرمز با کارایی بالاتر

- افزایش سرعت در تصویر برداری fMRIو SPM

- توسعه تحقیقات در زمینه توزیع دارو در بدن[3]

9- زمینه: صنایع دفاعی و دولتی

نام نرم‌افزار: Ikena

توسعه دهنده: Motiondsp

کیفیت پایین تصاویر ویدیویی ضبط شده توسط گوشی‌های موبایل، دوربین‌های هندی کم، دوربین‌های نظارتی و هواپیماها و عدم امکان تشخیص جزئیات و وجود لرزش‌های ناخواسته در ان‌ها مشکلی اساسی برای پلیس و ارگان‌های نظارتی محسوب می‌شود. شرکت MotionDSPبا عرضه محصول Lkenaبا استفاده از قدرت پردازشی GPUو امکانات کودا به همراه الگوریتم‌های پیشرفته، امکان بازیابی جزئیات با ارزش از تصاویر معمولی را فراهم کرده است. پردازش تصاویر ویدیویی با الگوریتم‌های بازیابی جزئیات در ان‌ها، به زمان زیاد و قدرت پردازشی بالا نیاز دارد. با این حال، استفاده از کودا باعث شده تا چنین محاسباتی در زمانی کوتاه انجام پذیرد.

10- زمینه: پردازش‌های تصویری

نام نرم‌افزار: مختلف

توسعه دهنده: مختلف

از کارایی‌های فناوری کودا در زمینه فناوری‌های بصری کامپیوتری بیش از هر زمینه دیگری استفاده شده است. نرم‌افزارهای مختلفی در این زمینه تولید شده‌اند و سرعت محاسبات در این زمینه به میزان بسیار زیادی افزایش یافته است. در ادامه به چند نرم‌افزار که برای استفاده از امکانات کودا در زمینه‌های مختلف توسعه داده شده‌اند، می‌پردازیم.

الف- FurryBall

 نرم‌افزار FurryBallنخستین رندرکننده بی‌درنگ مبتنی بر GPUاست که به طور مستقیم در مایا  پیاده‌سازی شده است. با استفاده از این نرم‌افزار، می‌توان رندر مدل‌های سه بعدی را به‌صورت بی‌درنگ و بدون تأخیر به همراه بافت، سایه‌ها، انعکاس‌ها، باند تداخل رنگ و عمق میدان دید در پنجره اصلی مایا دید و ویرایش کرد. همچنین، می‌توان با استفاده از قدرت GPUخروجی‌هایی بدون تاخیرهای بلند مدت و با سرعتی معادل سی تا سیصد برابر حالت رندر با CPUایجاد کرد.

ب- Ruins

این نرم‌افزار یک پلاگین افکت خرد شدن در مایاست که با دقت و سرعت بالا، خرد شدن اجسام در مایا را شبیه‌سازی می‌کند. در نرم‌افزار مایا، پیاده‌سازی افکت خرد شدن اجسام کار بسیار مشکل و بسیار کندی است که با استفاده از قدرت GPUو کودا به همراه PhysX، ایجاد این افکت با سرعتی بالاتر، واقعی‌تر و با سهولت بیشتر انجام می‌پذیرد.

پ- Badaboom

یکی از بهترین کاربردهایی که برای استفاده از فناوری کودا مطرح شده است، تبدیل فرمت‌های ویدیویی با سرعتی بسیار بالاتر از گذشته است. نرم‌افزار Badaboomیک مبدل فرمت تصویری ساده است که با استفاده از قدرت پردازشی GPUو فناوری کودا می تواند عملیات تبدیل فایل‌های ویدیویی را با سرعتی معادل بیست برابر گذشته (حالت استفاده از CPU) انجام دهد.

ت- vReveal

 نرم‌افزار vRevealیک ابزار رایگان برای اصلاح تصاویر ویدیویی ضبط شده با دستگاه‌های موبایل است که روی کارت‌های گرافیکی NVIDIAبا استفاده از کودا، پنج برابر سریع تر عمل کرده و تصاویری پایدارتر، روشن‌تر و حرفه‌ای‌تر به ارمغان می‌اورد. در این نرم‌افزار، سرعت اعمال تغییرات به ویدیوهای با کیفیت معمولی با سرعتی باور نکردنی و به‌صورت بی‌درنگ  انجام می‌پذیرد و با انتخاب یک گزینه، کاربر می‌تواند فایل اصلاح شده را در کنار فایل اصلی به‌صورت همزمان مشاهده کرده و میزان تغییرات اعمال شده را مورد بررسی قرار دهد.

11- زمینه: امنیت

نام نرم‌افزار: مختلف

توسعه دهنده: مختلف

در دهه گذشته، با توجه به استفاده از اینترنت در زمینه‌های حساسی چون مبادلات مالی تجاری و کاربردهای دولتی، نیاز به استفاده از از الگوریتم‌های مناسب رمزنگاری بیش از پیش افزایش یافته است. به همین دلیل، راه حل‌های بسیاری در زمینه رمزنگاری SSLبر مبنای سخت افزار در حوزه‌های تحقیقاتی و صنعتی عرضه شده‌اند که ارمغان ان‌ها، امکان رمز نگاری حجم بیشتری از داده‌ها در واحد زمان است. پس از عرضه فناوری‌هایی چون کودا از NVIDIAو  CTMاز AMD، امکان دسترسی به قدرت پردازشی سخت افزار گرافیکی فراهم شد و با استفاده از الگورتیم‌های پیشرفته و موازی، راه حل‌های جدیدی با شتاب بالاتر و امنیت بیشتر برای رمزنگاری قدر‌مندتر ارائه شدند. لازم به ذکر است که بیشتر این راه‌حل‌ها به دلیل وجود ساختار منظم و همخوانی بیشتر برای پردازش موازی روی GPU، بر استاندارد AESتمرکز کرده‌اند. به عنوان مثال، در یک پروژه تحقیقاتی، محققان توانسته‌اند با استفاده از کارت گرافیکی Gforce 8800GTXساده و ارزان قیمت، به حداکثر سرعت رمزنگاری 8,28 گیگابیت در ثانیه دست یابند.

افزایش قدرت پردازش و توسعه نرم‌افزارهای رمزگشا با استفاده از کودا خطراتی را نیز به دنبال داشته است. ترکیب قدرت پردازشی GPUو روش کرک کلمه عبور Brute-Forceدر حال ساده‌تر و سریع‌تر کردن شکستن کلمات عبور است و امنیت بسیاری از کاربران را به خطر انداخته است. تحقیقات یک مؤسسه امنیتی (Georgia Tech Research Institute) نشان داده است که یک کلمه عبور 7 حرفی نیز درمقابل قدرت پردازشی قوی GPUهای ارزان قیمت امروزی چندان امن نیست و به زودی، این کلمات عبور معادل یک درب باز خواهند بود.

مثالی دیگر از کاربرد پردازنده گرافیکی برای شکستن رمزنگاری WPAدر شبکه‌های بی سیم،  یک سرویس انلاین و مبتنی بر کلاود است که کاربر با استفاده از ان و پرداخت 35 دلار، می‌تواند با پیمایش 120 میلیون رکورد اطلاعاتی در بیست دقیقه به شکستن رمزنگاری یک شبکه بپردازد. توصیه کارشناسان این شرکت برای مقابله پدیده افزایش توان محاسباتی و شکسته شدن سریع‌تر رمزها، افزایش طول و به هم ریختگی کلمات عبور و کلیدهای رمزنگاری است. با توجه به اظهارات این کارشناسان، استفاده از کلمات عبور دوازده کاراکتری که ترکیبی از اعداد و حروف و سمبل‌هاست برای استفاده روزمره مناسب بوده و شکستن ان بسیار بسیار مشکل خواهد بود



[1]Ray  Tracing

(FDTD)[2]Finite Difference Time Domain

[3]Drug Delivery

Compatability by:
آخرین به روز رسانی سایت: سه شنبه, 22 اسفند 1391 - 00:26