تخزين حسابي

**تخزين حسابي** () هو معمارية للحوسبة تعتمد على معالجة البيانات على مستوى طبقة التخزين بدلاً من نقلها إلى وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو الذاكرة الرئيسية. تهدف هذه التقنية إلى تقليل حركة البيانات بين وحدات التخزين والمعالجات، مما يُسهم في تحسين الأداء وتقليل استهلاك الطاقة في بيئات البيانات الضخمة وحوسبة الحافة.

أصدرت جمعية صناعة شبكات التخزين (SNIA) المعمارية القياسية للتخزين الحسابي ونموذج البرمجة (Computational Storage Architecture and Programming Model) في إصداره الأول عام 2022، تلتها واجهة برمجة التطبيقات (Computational Storage API v1.0) في أكتوبر 2023. وفي ديسمبر 2023، أصدرت مجموعة NVMe مواصفات التخزين الحسابي الخاصة بها، شاملةً مجموعة أوامر البرامج الحسابية (Computational Programs Command Set) ومجموعة أوامر الذاكرة المحلية للنظام الفرعي (Subsystem Local Memory Command Set).

## نظرة عامة
في معمارية فون نيومان التقليدية، يجب نقل البيانات من أقراص التخزين الصلب (SSD) إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لتتم معالجتها بواسطة وحدة المعالجة المركزية. ومع التضخم الهائل في حجم البيانات، أصبح هذا النقل يُشكّل ظاهرة «عنق الزجاجة» (Bottleneck) التي تُؤثر على السرعة وتزيد من زمن الاستجابة (Latency)، وهو ما يُعرف أحياناً بـ«مشكلة الجدار الذاكري» (Memory Wall).

يعالج التخزين الحسابي هذه الإشكالية عبر دمج قدرات معالجة — كمعالجات ARM أو مصفوفات FPGA أو دوائر ASIC مخصصة — مباشرةً داخل جهاز التخزين ذاته، مما يُتيح تنفيذ العمليات الحسابية «في موضع البيانات» (In-Situ) دون الحاجة إلى نقلها عبر ممرات PCIe إلى المعالج المركزي.

## المكونات الأساسية
وفقاً لمعايير جمعية صناعة شبكات التخزين (SNIA)، تُصنَّف أجهزة التخزين الحسابي إلى ثلاث فئات رئيسية:

* **محرك التخزين الحسابي (CSD - Computational Storage Drive):** محرك أقراص يحتوي بداخله على قدرات معالجة مُدمجة لتنفيذ العمليات الحسابية مباشرةً على البيانات المخزنة فيه. من أبرز الأمثلة عليه محرك SmartSSD من شركة سامسونج الذي يضم مصفوفة FPGA من طراز AMD Kintex Ultrascale+ مع مسار بيانات خاص بين وحدة التخزين والمعالج.

* **معالج التخزين الحسابي (CSP - Computational Storage Processor):** معالج مخصص يقع على مسار البيانات ليقوم بمعالجتها أثناء انتقالها بين التخزين والمعالج الرئيسي، دون أن يحتوي هو نفسه على سعة تخزينية كبيرة.

* **مصفوفة التخزين الحسابي (CSA - Computational Storage Array):** نظام متكامل يضم مجموعة من المحركات والمعالجات الحسابية لتقديم حلول تخزين ذكية على مستوى المؤسسات.

علاوة على ذلك، تتضمن بنية التخزين الحسابي وفق مواصفات NVMe مكونَيْن جوهريَّيْن:
* **الذاكرة المحلية للنظام الفرعي (SLM - Subsystem Local Memory):** ذاكرة يمكن للمضيف الوصول إليها بشكل مباشر، مخصصة لفضاءات الأسماء الحسابية.
* **فضاءات الأسماء الحسابية (Compute Namespaces):** مناطق متخصصة داخل النظام الفرعي لـNVMe لتخزين البرامج الحسابية وتنفيذها باستقلالية عن المضيف.

## مقارنة تقنية
يوضح الجدول التالي الفروقات الجوهرية بين التخزين التقليدي والتخزين الحسابي:

## المزايا التقنية
### تقليل زمن الاستجابة وحركة البيانات
من خلال معالجة البيانات في مكان تواجدها، يُلغي التخزين الحسابي الوقت المستغرق في نقل تيرابايتات من البيانات الخام عبر ممرات PCIe؛ إذ تُرسَل نتائج المعالجة فقط إلى المعالج المركزي بدلاً من البيانات الأصلية كاملة. وقد أثبتت الأبحاث أن أنظمة التخزين الحسابي يمكن أن تُحقق تحسيناً بمقدار ستة أضعاف في أوقات الاستعلام مع انخفاض في استهلاك المعالج المركزي بنسبة تصل إلى 60% في بعض التطبيقات.

### تحسين قابلية التوسع
تزداد قدرة المعالجة الإجمالية للنظام طردياً مع زيادة عدد أقراص التخزين الحسابي المُضافة، مما يوفر توسعاً خطياً (Linear Scalability) يتجاوز القيود التي تفرضها المعمارية التقليدية المعتمدة على معالج مركزي واحد.

### تخفيف الحِمل عن المعالج المركزي
يُتيح التخزين الحسابي تفويض مهام مُكثِفة الحساب إلى وحدات التخزين، من بينها: ضغط البيانات (Compression)، التشفير وفك التشفير (Encryption/Decryption)، تصفية قواعد البيانات، ترميز الفيديو وتحويله (Transcoding)، والكشف عن الشذوذات الأمنية. وعلى سبيل المثال، طوّرت شركة آي بي إم وحدة FlashCore Module ذات قدرات تخزين حسابي تعتمد الذكاء الاصطناعي للكشف عن هجمات برمجيات الفدية مباشرةً داخل مصفوفة التخزين.

### كفاءة الطاقة
تُقلل معمارية التخزين الحسابي من استهلاك الطاقة نظراً لتراجع حجم البيانات المنقولة عبر الحافلات الداخلية. وتُشير التقارير إلى أن بعض محركات التخزين الحسابي تستهلك ما بين 0.4 و0.9 واط لكل تيرابايت، مقارنةً بـ3 إلى 4 واط لكل تيرابايت في محركات NVMe التقليدية.

## حالات الاستخدام
### قواعد البيانات والبيانات الضخمة
تُنفِّذ أجهزة التخزين الحسابي عمليات الفرز والتصفية والتجميع (Aggregation) مباشرةً داخل القرص، وترسل النتائج النهائية فقط إلى التطبيق، مما يُقلص حجم البيانات المنقولة بمقدار كبير في سيناريوهات التحليل الضخم.

### الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة
تستهدف أنظمة التخزين الحسابي تطبيقات الذكاء الاصطناعي بشكل خاص، إذ يمكنها معالجة البيانات الأولية وتحويلها إلى متجهات (Vectors) أو تنفيذ عمليات جداول التضمين (Embedding Tables) لنماذج التعلم العميق مباشرةً على وحدة التخزين، قبل تغذيتها للنماذج.

### معالجة الفيديو والوسائط
يمكن تنفيذ عمليات تحويل ترميز الفيديو (Transcoding) وضغطه مباشرةً على وحدات التخزين في منصات البث والإعلام، مما يُخفف العبء عن الخوادم المركزية.

### الأمن السيبراني
تُوظَّف قدرات المعالجة الداخلية لأجهزة التخزين الحسابي للكشف الفوري عن الهجمات، مثل هجمات برمجيات الفدية، دون الحاجة إلى نقل بيانات إلى المضيف للتحليل.

### الحوسبة عالية الأداء (HPC)
تُستخدم هذه التقنية في بيئات الحوسبة عالية الأداء لمعالجة نتائج المحاكاة العلمية، حيث تصل أحجام بيانات اللحظة الواحدة إلى عشرات التيرابايتات.

## التحديات والقيود
على الرغم من مزايا التخزين الحسابي، تواجه التقنية جملةً من التحديات:

* **محدودية قوة المعالجة:** تُعدّ القدرة الحسابية المدمجة في أجهزة التخزين — سواء أكانت مصفوفات FPGA أم معالجات ARM محدودة العدد — أقل بمراحل من قدرة المعالجات المضيفة في الخوادم عالية الأداء.

* **تعقيد التحقق والتصحيح:** يُضيف دمج الحوسبة والتخزين في جهاز واحد تعقيداً كبيراً لعمليات التحقق من صحة البروتوكول وإدارة الذاكرة والتفاعل بين فضاءات الأسماء المختلفة.

* **تبنّي السوق المحدود:** لا تزال التقنية في مراحل التبني المبكر في مراكز البيانات والمؤسسات، وإن كانت حالات نشر إنتاجية حقيقية بدأت في الظهور.

* **التوافق بين المعايير:** لا يزال التنسيق بين معياري SNIA وNVMe جارياً للتأكد من التكامل الكامل والتوافق بينهما.

## المعايير والمواصفات

## انظر أيضاً
* وسيط تخزين ذو حالة ثابتة
* ذاكرة غير متطايرة NVMe
* حوسبة الحافة
* معمارية الحاسوب
* معمارية فون نيومان
* مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة
* البيانات الضخمة
* تعلم الآلة
* الحوسبة عالية الأداء
* برمجية فدية

## المراجع

تصنيف:تخزين بيانات الحاسوب
تصنيف:معمارية الحاسوب
تصنيف:حوسبة موزعة