Специалисты Национального исследовательского ядерного университета МИФИ разработали алгоритм, объединяющий обычные мобильные устройства в производительный вычислительный кластер. Это решение способно сделать облачные технологии доступными для всех, считают авторы разработки.
В эпоху больших данных и искусственного интеллекта проблема вычислительных мощностей стоит особенно остро. Суперкомпьютеры и облачные серверы требуют огромных финансовых вложений, что делает их недоступными для многих университетов и малых предприятий.
Ученые МИФИ предложили использовать для сложных научных расчетов обычные смартфоны, объединив их для этого в мощные распределенные вычислительные системы, способные тягаться по производительности с полноценными серверами.
Идея создания вычислительных кластеров из мобильных устройств не нова. Первые эксперименты проводили еще 15 лет назад. Авторы смогли решить главную проблему таких систем — неоднородность устройств. В одной сети могут оказаться мощный флагманский смартфон и бюджетная модель, производительность которых различается в 10–12 раз. Кроме того, при длительной работе мощные смартфоны перегреваются и снижают частоту (троттлинг), теряя до 60 % своей производительности. Просто разбить задачу на равные части в такой «разношерстной» толпе невозможно — мощные узлы простаивают в ожидании слабых. Традиционные методы балансировки нагрузки либо игнорируют реальное состояние устройств, либо работают только в стабильных проводных сетях.
Ученые разработали комбинированный алгоритм, который работает как «умный» диспетчер. Перед началом расчетов система оценивает пиковую мощность каждого устройства по количеству ядер и их частоте. Но это лишь стартовая точка. В процессе работы каждый узел постоянно «жалуется» управляющему узлу на температуру, текущую частоту и загрузку. На основе этих данных алгоритм в реальном времени корректирует, какой объем вычислений дать каждому смартфону.
«Если телефон начинает греться, система автоматически снимает с него часть задач, не позволяя процессору троттлить. А когда он остывает — возвращает нагрузку», — поясняют авторы, доцент НИЯУ МИФИ Галина Исаева и аспирант Федор Исаев.
Важным параметром системы является встроенная отказоустойчивость. В беспроводной сети узлы постоянно отключаются — кто-то оказался вне зоны связи, у кого-то села батарея. В таких случаях алгоритм мгновенно возвращает незавершенные подзадачи обратно в общую очередь и перераспределяет их между работающими смартфонами.
Для теста ученые использовали задачу численного интегрирования — сложную функцию, требующую около миллиарда шагов вычислений. Сравнивались разные подходы. Статическая балансировка (по пиковой частоте) показала время на уровне стационарного ПК, но при длительной нагрузке «поплыла» — троттлинг свел на нет все преимущества.
Разработанный авторами собственный комбинированный метод GRID продемонстрировал впечатляющие результаты: время выполнения сократилось в 2,5 раза по сравнению со статикой для длительных задач, а дисперсия нагрузки (разброс времени выполнения на разных узлах) оказалась минимальной. Это значит, что кластер работал как единый слаженный механизм, где ни один узел не простаивал и не перегревался.
Ученые отмечают, что пока они создали только прототип, но у разработки огромный потенциал. Она открывает путь к созданию дешевых мобильных вычислительных ферм для научных групп, образовательных учреждений и даже для экстренных служб в полевых условиях, где нет доступа к интернету и серверам. Исследователи планируют продолжить работу в плане повышения энергоэффективности и адаптации под реальные сценарии, чтобы облачные технологии стали действительно доступными для всех.
Статья опубликована на сайте Минобрнауки России.
