Design and hardware implementation of unconventional computing systems for networks analysis and data center management
Authors: Τσομπανάς Μιχαήλ-Αντισθένης 
Published: September 2021

Η υψηλή κατανάλωση ενέργειας ενός σύγχρονου Κέντρου Δεδομένων αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά και απαιτητικά ζητήματα στα σημερινά «οικοσυστήματα» πληροφοριακών συστημάτων. Σύμφωνα με μια μελέτη της Greenpeace με τίτλο MakeITGreen, έχει υπολογιστεί ότι η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας από τα Κέντρα Δεδομένων το 2007 ήταν περίπου 300 δις kWh (σχεδόν η ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνει το Ηνωμένο Βασίλειο). Αυτή η απαίτηση για κατανάλωση ενέργειας προβλέπεται να υπερτριπλασιαστεί έως το 2020 (σε περισσότερα από 100 δις kWh). Η εξέλιξη της τεχνολογίας νέφους και άλλων αναπτυσσόμενων δικτυακών εφαρμογών έχουν αυξήσει σημαντικά την κίνηση στα Κέντρα Δεδομένων και οδήγησαν σε μια μεγάλη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Αυτή η αύξηση επιφέρει επίσης την αύξηση των εκπομπών άνθρακα. Το 2002, οι συνολικές εκπομπές των Κέντρων Δεδομένων άγγιζαν τα 76 MtCO2e (Million metric tons of carbon dioxide equivalent – Εκ. μετρικούς τόνους από ισοδύναμα του διοξειδίου του άνθρακα) και αναμένεται να υπερτριπλασιαστούν μέχρι το έτος 202 σε 259 MtCO2e. Έτσι τα Κέντρα Δεδομένων κατατάσσονται στον πιο γρήγορα αναπτυσσόμενο συμβαλλόμενο στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στον τομέα της Τεχνολογίας Πληροφοριών, με το σχετικό ποσοστό του 7%. Η αποφασιστική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας είναι αδύνατη χωρίς μια δραστική βελτίωση στην ενεργειακή αποδοτικότητα, με την μείωση της κατανάλωσης ανα bit σε υπολογιστικά και τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Επομένως, απαιτούνται ενεργειακά αποδοτικότεροι επεξεργαστές, στοιχεία αποθήκευσης, switches και μνήμης, τα οποία θα παρέχουν επαυξημένη υπολογιστική δυνατότητα με μειωμένη κατανάλωση ενέργειας. Σήμερα, σχεδόν όλοι οι δικτυακοί διακομιστές είναι βασισμένοι σε αρχιτεκτονικές x86 υψηλής απόδοσης, οι οποίες δεν είναι βελτιστοποιημένες με όρους ενέργειας. Η αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας των Κέντρων Δεδομένων ήραν η κινητήρια δύναμη για την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Ένας επιπρόσθετος παράγοντας ήταν η μικρή ενσωμάτωση μεθόδων εναλλακτικών υπολογιστών που απαιτούν ένα ευρύ φάσμα επιστημονικού υποβάθρου. Ένα εναλλακτικό και αντισυμβατικό μέσο που αποτέλεσε έμπνευση για την παρούσα διδακτορική διατριβή είναι το πλασμώδιο του μύκητα Physarum polycephalum, ένα πολυπύρηνο κύτταρο, ένα ζωντανό μέσο το οποίο ψάχνει τροφή και παλεύει για την επιβίωσή του σε ένα αντίξοο περιβάλλον. Μετά την ανάλυση της συμπεριφοράς του πλασμωδίου έγινε σχεδιασμός ενός μοντέλου που παράγει δικτυώματα τα οποία συγκρίθηκαν με υπαρκτά δικτυώματα. Επιπλέον, δεδομένων των αποτελεσμάτων και κάποιων θεωρητικά ορισμένων γράφων, το μοντέλο βελτιστοποιήθηκε και παρείχε αποδοτικότερα δικτυώματα. Επομένως, το ίδιο το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό ενός δένδρου δεδομένων (data tree) για ένα Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων (Wireless Sensor Network) το οποίο χρησιμοποιείται για την καταγραφή των θερμοκρασιών σε ένα Κέντρο Δεδομένων και τον έλεγχο των υποστηρικτικών συστημάτων του. Από την άλλη πλευρά, μελετήθηκαν και πιο συμβατικοί τρόποι για την βελτίωση της αποδοτικότητας των Κέντρων Δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο διαμοιρασμός σε υπολογιστικές οντότητες κάποιων πόρων υλικού, όπως η κρυφή (cache) μνήμη, χρησιμοποιώντας Κυψελιδωτά Αυτόματα και Θεωρία Παιγνίων. Επίσης, εξετάστηκε η ενσωμάτωση κάποιων υπολογισμών σε υλικό, έτσι ώστε να επιταχυνθούν οι υπολογισμοί σε ένα Κέντρο Δεδομένων και επομένως να εξοικονομηθεί ενέργεια.