Россияне предложили объединять смартфоны в распределенный суперкомпьютер
Исследователи НИТУ "МИСиС" разработали принцип, который позволяет объединять большое количество смартфонов и планшетов в единую вычислительную сеть. Если подключить к такой системе миллионы мобильных устройств, их суммарные ресурсы можно будет использовать для решения сложных задач, обычно требующих мощностей суперкомпьютеров.
Главная особенность концепции заключается в том, что участниками сети могут стать гаджеты с разными процессорами, объемом памяти и операционными системами. Иными словами, для работы распределенной системы не потребуется парк одинаковых устройств. В нее теоретически можно включать аппараты на различных архитектурах и под управлением разных программных платформ.
Как смартфоны могут стать частью суперкомпьютера
Современные мобильные устройства большую часть времени не используют процессор на полной мощности. Даже во время обычной работы значительная часть вычислительных ресурсов остается свободной. Ученые предлагают задействовать этот резерв для выполнения отдельных фрагментов крупных задач.
Общая задача в такой системе разбивается на множество небольших операций. Каждое подключенное устройство получает свой участок работы, выполняет вычисления и передает результат обратно. Затем система объединяет отдельные ответы в единый итог.
Подобный подход называют грид- или распределенными вычислениями. В отличие от классического суперкомпьютера, где все процессоры находятся в одном вычислительном центре, грид-сеть состоит из множества территориально разнесенных устройств. Они могут находиться в разных городах и странах, но при наличии связи работать над одной задачей.
В качестве элементов вычислительной инфраструктуры рассматриваются не только смартфоны, но и планшеты. По своим возможностям они близки к мобильным телефонам: используют сопоставимые процессоры, имеют оперативную память и способны подключаться к интернету.
Как защитить батарею и не мешать владельцу
Одна из главных проблем подобной технологии - влияние вычислений на повседневную работу устройства. Если постоянно использовать процессор и сетевое соединение, смартфон будет быстрее разряжаться, нагреваться и может начать работать медленнее.
Авторы проекта считают, что систему можно настроить таким образом, чтобы она запускала вычислительные процессы только в подходящих условиях. Например, гаджет сможет выполнять задания во время зарядки или тогда, когда уровень аккумулятора достигает 80-90%. Дополнительно можно учитывать температуру корпуса, загрузку процессора, наличие Wi-Fi и активность пользователя.
В нормальном режиме вычисления должны выполняться в фоновом формате и не мешать владельцу звонить, пользоваться приложениями или просматривать видео. Приоритет при этом остается за основными функциями смартфона: если человеку требуется производительность, распределенный процесс автоматически приостанавливается или сокращает нагрузку.
Правильный подбор параметров имеет принципиальное значение. От настроек зависит, насколько эффективно будут использоваться свободные ресурсы и как быстро завершится расчет. При неудачной конфигурации система, напротив, может увеличить энергопотребление и снизить удобство использования устройств.
Первые результаты исследования
Специалисты МИСиС создали прототип мобильной грид-системы и провели эксперименты с неоднородными устройствами. Исследование было посвящено тому, как сеть ведет себя при объединении гаджетов с разной аппаратной архитектурой и различными операционными системами.
Такая неоднородность создает дополнительные сложности. Устройства отличаются производительностью, скоростью соединения, объемом доступной памяти и стабильностью работы. Один смартфон может завершить свою часть задания за секунды, тогда как другому потребуется значительно больше времени. Поэтому распределительная система должна уметь учитывать характеристики каждого участника и перераспределять нагрузку.
Отдельная задача - обмен данными. Передавать между миллионами аппаратов большие объемы информации невыгодно: сетевой трафик способен стать узким местом. Поэтому для мобильной грид-системы лучше подходят расчеты, в которых каждое устройство получает небольшой набор исходных данных, самостоятельно выполняет значительную часть работы и отправляет обратно компактный результат.
Какие задачи подойдут мобильной сети
Потенциально объединенные смартфоны можно использовать для научных расчетов, математического моделирования, обработки массивов данных и других операций, которые легко разделить на независимые этапы. К примеру, сеть могла бы выполнять большое количество однотипных вычислений, проверять варианты моделей или обрабатывать фрагменты изображений.
При этом мобильная грид-система вряд ли станет универсальной заменой традиционным суперкомпьютерам. Она не подходит для задач, где отдельные этапы постоянно зависят друг от друга и требуют обмена данными практически без задержки. Большое расстояние между устройствами и нестабильность интернет-соединения будут увеличивать время отклика.
Еще одно ограничение связано с надежностью. Смартфон может внезапно отключиться, потерять связь, разрядиться или выйти из сети по желанию владельца. Поэтому программная платформа должна предусматривать повторную отправку заданий, резервирование результатов и автоматическую замену недоступных участников.
Отличие от ботнетов и вопросы безопасности
Концепция распределенных вычислений с использованием мобильных гаджетов требует четкого разграничения между добровольной сетью и ботнетом. В ботнетах устройства заражаются вредоносным программным обеспечением и используются без разрешения владельцев. В легальной системе пользователь должен заранее согласиться на предоставление части ресурсов, понимать принцип работы программы и иметь возможность в любой момент отключить участие.
Не менее важны вопросы конфиденциальности. Приложение не должно получать доступ к личным файлам, сообщениям и другим данным, которые не связаны с вычислительной задачей. Передаваемая информация должна быть изолирована, а сетевой обмен - защищен.
Необходимо также исключить скрытое расходование мобильного трафика. На практике подобная система должна работать преимущественно через Wi-Fi либо использовать только заранее установленный пользователем лимит. Без этого фоновая активность способна привести к неожиданным расходам.
Какие устройства еще можно подключить
Теоретически участниками распределенной сети могут стать и другие виды техники. Например, современные смарт-телевизоры обладают ARM-процессорами, оперативной и встроенной памятью, а также постоянным доступом к интернету. Их преимущество - подключение к электросети, благодаря которому не возникает проблемы с разрядкой аккумулятора.
К системе можно было бы рассматривать и отдельные бытовые устройства, однако их производительность обычно ниже, а программная среда сильнее ограничена. Поэтому наиболее реалистичными элементами такой инфраструктуры остаются смартфоны, планшеты и стационарная техника с открытыми возможностями для установки специального программного обеспечения.
Перспективы мобильных вычислений
Авторы исследования считают, что развитие подобных технологий может привести к появлению отдельного класса вычислительных систем - мобильных. Их мощность будет формироваться не за счет одного дорогого центра обработки данных, а благодаря объединению огромного числа уже существующих устройств.
Преимущество такого подхода заключается в потенциальной масштабируемости. Если к сети добровольно подключатся миллионы гаджетов, суммарная производительность окажется весьма значительной. При этом не потребуется одномоментно строить крупный вычислительный комплекс.
Однако для практического распространения технологии придется решить вопросы мотивации пользователей, безопасности, совместимости программ, защиты аккумуляторов и компенсации затрат на электроэнергию. Владелец устройства должен понимать, какую пользу он приносит и что получает взамен.
Таким образом, идея МИСиС показывает, что смартфон может быть не только персональным гаджетом, но и небольшим элементом распределенной вычислительной инфраструктуры. До массового применения такой системы еще предстоит пройти путь от прототипа до надежной платформы, но техническая возможность объединять разнородные мобильные устройства в общую сеть уже получила экспериментальное подтверждение.
