Projekty

PROJEKTY BADAWCZE REALIZOWANE

Projekty krajowe

Energooszczędny system komputerowy dla obliczeń wielkiej skali

Projekt badawczy NCN (OPUS-9, numer 2015/17/B/ST6/01885)
Czas realizacji: 2016 - 2019
Wykonawcy projektu:

• Ewa Niewiadomska-Szynkiewicz (kierownik)
• Michał Karpowicz (wykonawca)
• Piotr Arabas (wykonawca)
• Michał Getka (stypendium naukowe - student)
• Antonina Krajewska (stypendium naukowe - doktorantka)

Projekt dotyczy zagadnień z zakresu energooszczędnych systemów komputerowych dla obliczeń wielkiej skali. Celem projektu jest zdobycie nowej wiedzy o dynamice i losowym charakterze procesów obliczeniowych w klastrach serwerów aplikacji oraz opracowanie propozycji rozwiązania problemu energooszczędnego sterowania centrum przetwarzania danych. Postęp wielu dziedzin nauki, m.in. fizyki i chemii, zależy od rozwoju nowatorskich energooszczędnych technologii teleinformatycznych umożliwiających przetwarzanie wielkich ilości danych. Według danych statystycznych obciążenie serwerów w centrach przetwarzania danych (data center), udostępniających usługi chmury obliczeniowej (cloud computing), kształtuje się na poziomie 10-50% ich możliwości. Utrzymywanie zapasów mocy obliczeniowej związane jest z koniecznością zapewnienia gwarancji jakości oraz odporności usług na nagłe zmiany szybkości napływania zadań. Taka polityka sterownia wymusza jednak nadmierne zużycie mocy elektrycznej i pośrednio przyczynia się do wzmożonej emisji CO2 do atmosfery. Zapotrzebowanie na energię jest również jednym z dominujących ograniczeń tempa rozwoju systemów HPC (high performance computing), przy obecnie stosowanych rozwiązaniach klaster exaflopowy pobierałby gigawaty mocy.
Nowoczesne elementy obliczeniowe, tj. procesory, układy pamięci i karty sieciowe, mogą pracować w zmiennych trybach (www.acpi.info) charakteryzujących się różnym poziomem zużycia energii. Przełączanie trybów pracy oraz odczyt sprzętowych wskaźników efektywności operacji umożliwiają intensywnie rozwijane abstrakcyjne interfejsy programistyczne (API) oraz sondy (moduły jądra) monitorujące pracę systemu operacyjnego. Istotnie, nowoczesne energooszczędne technologie obliczeniowe otwierają nowe możliwości prowadzenia badań nad założonymi procesami obliczeniowymi oraz strukturami sterowania klastrami serwerów. W wyniku prac realizowanych w ramach zgłaszanego projektu stworzone zostaną podstawy teoretyczne konstrukcji energooszczędnych algorytmów szeregowania zadań i alokacji zasobów oraz regulatorów pracy serwerów. Uwzględnione zostaną przy tym możliwości technik wirtualizacji, modele wydajności energetycznej jednostek obliczeniowych i sieci łączącej serwery, a także niskopoziomowe wskaźniki jakości usług. Wykorzystane zostaną mechanizmy usypiania i wybudzania urządzeń oraz skalowanie napięcia i częstotliwości (DVFS) procesorów. Synteza efektywnych reguł sterowania szybkością pracy serwerów zostanie wsparta dokładnymi modelami procesów obliczeniowych, zidentyfikowanymi na drodze badań eksperymentalnych. Efektem końcowym będzie koncepcja i realizacja systemu komputerowego do energooszczędnego sterowania obciążeniem klastra oraz szybkością pracy jednostek obliczeniowych. W ramach projektu zostaną zweryfikowane następujące hipotezy badawcze:

• H1. Obciążenie serwerów, procesorów i rdzeni jest procesem stochastycznym spełniającym warunki samopodobieństwa i wystarczającą, do zapewnienia gwarancji jakości obsługi zadań przy jednoczesnej minimalizacji kosztów zużycia energii, jakość predykcji obciążenia gwarantują modele liniowe.
• H2. Optymalna energooszczędna polityka sterowania szybkością obsługi zadań serwera jest ograniczona od dołu przez charakterystykę najlepszej odpowiedzi serwera na strumień zapytań o stałej szybkości.
• H3. Optymalna alokacja budżetu mocy i zasobów do zadań minimalizuje koszty energetyczne funkcjonowania centrum przetwarzania danych przy zapewnieniu gwarancji jakości oferowanych usług.

Wyniki projektu pozwolą na znacznie lepsze wykorzystanie mocy obliczeniowych oferowanych przez centra danych przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacji tworzących je urządzeń. Opracowane rozwiązania zostaną zweryfikowane na drodze rozważań formalnych, symulacji komputerowej oraz eksperymentalnie w laboratorium.

Raporty - wyniki prac badawczych
2016
E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Theoretical analysis and design concept of energy-efficient CPU – part I

2017
P. Arabas, M. Karpowicz, E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Opracowanie i realizacja systemu do identyfikacji modeli obciążenia serwerów

M. Getka, Działania wstępne dla zadania opracowania nowatorskiego algorytmu energooszczędnego sterowania szybkością pracy serwera

M. Getka, Działania wstępne dla zadania walidacji i oceny efektywności działania energooszczędnego algorytmu sterowania szybkością pracy serwera w laboratorium

M. Getka, Przystosowanie jadra systemu Linux do celów zadania opracowania nowatorskiego algorytmu energooszczędnego sterowania szybkością pracy serwera

2018
E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Projekt energooszczędnego systemu zbierania danych pomiarowych dla centrum przetwarzania danych

P. Arabas, M. Karpowicz, E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Implementacja i symulacyjna ocena efektywności i skalowalności energooszczędnego systemu komputerowego dla centrum przetwarzania danych

M. Karpowicz, Optymalizacja alokacji maszyn wirtualnych w klastrze obliczeniowym

E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Eksperymentalna ocena wydajności i niezawodności baz danych SQL

A. Krajewska, Opracowanie podstaw teoretycznych i projekt energooszczędnego systemu komputerowego dla celów przetwarzania danych

A. Krajewska, Opracowanie efektywnego algorytmu alokacji zasobów oraz szeregowania zadań obliczeniowych

A. Krajewska, Symulacyjna ocena efektywności i skalowalności energooszczędnego systemu komputerowego dla centrum przetwarzania danych

2019
E. Niewiadomska-Szynkiewicz, Michał Karpowicz, Piotr Arabas, Walidacja i ocena efektywności działania energooszczędnego algorytmu sterowania szybkością pracy serwera w laboratorium

Projekty międzynarodowe
• 
  High-Performance Modelling and Simulation for Big Data Applications
  Projekt cHiPSet
  
  


PROJEKTY BADAWCZE ZAKOŃCZONE


Projekty międzynarodowe
• 
  ECOnet - low Energy COnsumption NETworks (ECONET)
  
  www.econet-project.eu
  
  
  
  (FP7 ICT-2009.1.1)
  Czas realizacji: 2010 - 2013
  Wykonawcy projektu: konsorcjum szesnastu jednostek naukowo-badawczych i firm
  Koordynator projektu: Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (Włochy)

  Projekt realizowany w zakresie 7 Programu Ramowego Unii Europejskiej. Zadaniem projektu jest wytworzenie technologii mających na celu redukcję zapotrzebowania na energię elektryczną urządzeń przewodowej sieci komputerowej - w miarę możliwości bez pogorszenia jakości świadczonych usług. Grupy zadań projektu o charakterze badawczym: opracowanie specyfikacji funkcjonalnej sieci nowej generacji oszczędzających energię, wytworzenie prototypów sprzętu sieciowego i interfejsów programistycznych do funkcji oferowanych przez sprzęt, opracowanie algorytmów zarządzania siecią, zorientowanych na korzyści z oszczędzania energii. Integracja i demonstracja wyników projektu dokona się w środowiskach testowych.


Projekty krajowe


Metody i narzędzia do wspomagania projektowania i zarządzania sieciami ad hoc





Projekt badawczy NCN
Czas realizacji : 2011 - 2014
Wykonawcy projektu: pracownicy i doktoranci zespołu.

Projekt dotyczy zagadnień z dziedziny bezprzewodowych sieci ad hoc, tj. sieci czujników bezprzewodowych (WSN - Wireless Sensor Networks) oraz sieci mobilnych (MANET – Mobile Ad hoc Networks). Celem jest opracowanie nowych algorytmów dla sieci ad hoc, wykonanie środowiska informatycznego do badań symulacyjnych oraz wspomagania projektowania sieci, budowa środowiska laboratoryjnego i eksperymentalna weryfikacja opracowanych rozwiązań. W szczególności rozważane są techniki lokalizacji węzłów w sieciach czujników (WSN), modele mobilności węzłów w sieciach MANET oraz algorytmy energooszczędnej transmisji w obu typach sieci.

Projekty międzynarodowe
• Quality of Service and Pricing Differentiation for IP Services (QOSIPS)
  

  (FP5 IST-1999)
  Czas realizacji: 1999 - 2002
  Wykonawcy projektu: konsorcjum pięciu jednostek naukowo-badawczych i firm
  Koordynator projektu: Knowledge Support Systems Ltd. (Wielka Brytania)

  Projekt realizowany w zakresie 5 Programu Ramowego Unii Europejskiej, poświęcony problematyce efektywnego wykorzystania zasobów sieci komputerowej i związanej z tym wyceny usług w Internecie. Szczególna uwaga została zwrócona na zapewnienie odpowiedniej jakości usług. Główny wysiłek badaczy z Polski był skoncentrowany na opracowaniu modeli reakcji użytkowników na wycenę usług oferowanych przez operatora sieci. Zaproponowano odpowiednie modele matematyczne, które następnie zrealizowano w postaci programów komputerowych, sformułowano zadanie operatora sieci, którego rozwiązaniem była propozycja cen za usługi gwarantująca operatorowi maksymalizację zysków. Opracowano, zrealizowano i przetestowano różne metody optymalizacji do rozwiązania postawionego problemu.

Projekty krajowe
• Równoległe i rozproszone algorytmy optymalizacji dla zadań wielkiej skali.

  Projekt badawczy własny MNiSW
  Czas realizacji : 2008 - 2010
  Wykonawcy projektu: pracownicy i doktoranci zespołu

  Projekt dotyczył problematyki obliczeń wielkiej skali. Celem było opracowanie, realizacja komputerowa i weryfikacja nowoczesnych algorytmów optymalizacji oraz ich zastosowanie do rozwiązania konkretnych zadań, w tym zadań sterowania złożonymi obiektami fizycznymi. Algorytmy były realizowane w wersji równoległej i rozproszonej. Prace koncentrowały się w czterech obszarach. W pierwszym były prowadzone badania poświęcone efektywnej realizacji metod optymalizacji liniowej i nieliniowej (wypukłej) wykorzystujących różne techniki zrównoleglania, decydujące o szybkości działania algorytmów. Drugim obszarem działania były algorytmy hierarchiczne optymalizacji stosujące różne techniki dekompozycji problemu, trzecim algorytmy poszukiwania rozwiązań globalnych – deterministyczne i stochastyczne. Ostatnią rozważaną grupą były algorytmy wykorzystujące arytmetykę i analizę przedziałową.

• 
  Usługi i sieci teleinformatyczne następnej generacji – aspekty techniczne, aplikacyjne i rynkowe
  

  Projekt Badawczy Zamawiany MNiSW
  Czas realizacji: 2008 – 2010
  Wykonawcy projektu: konsorcjum kilkunastu jednostek naukowo-badawczych z kraju
  Koordynator projektu: Instytut Łączności

  Realizowane prace dotyczyły zagadnień rozwoju sieci i usług teleinformatycznych następnej generacji tj. technologii, aplikacji i aspektów rynkowych. Celem projektu było przygotowanie narzędzi i procedur pozwalających na wdrażanie rozwiązań potrzebnych dla rozwoju państwa i samorządności i mających szanse być konkurencyjnymi na rynku. W szczególności uwaga skoncentrowano na identyfikacji i konstruktywnej analizie kierunków ewolucji architektur sieciowych i protokołów stanowiących podstawę działania sieci NGN oraz metodyce ich projektowania.

• 
  Modele zagrożeń aglomeracji miejskiej wraz z systemem zarządzania kryzysowego na przykładzie m. st. Warszawy
  
  Projekt Badawczy Zamawiany MNiSW
  Czas realizacji: 2006 – 2009
  Wykonawcy projektu: konsorcjum jedenastu jednostek naukowo-badawczych z kraju
  Koordynator projektu: Wojskowa Akademia Techniczna

  Celem projektu było opracowanie i wykonanie prototypu informatycznego systemu wspomagania zarządzania kryzysowego dla miasta stołecznego Warszawa. Głównym beneficjentem był Urząd m.st. Warszawy, a w szczególności Centrum Zarządzania Kryzysowego. Prace badawcze dotyczyły metod modelowania i prognozowania zagrożeń oraz procedur zarządzania kryzysowego w aglomeracji warszawskiej. Rozważano następujące zagrożenia: powodziowe i klęski żywiołowe, pożarowe, epidemiologiczne, chemiczne, radiacyjne, systemu energetycznego, systemu wodociągów i kanalizacji, sieci dystrybucji wody i sieci ciepłowniczej, systemu transportowego, infrastruktury telekomunikacyjnej i teleinformatycznej, porządku publicznego, militarne i terrorystyczne.

• 
  Specjalizowane metody optymalizacji i symulacji do podejmowania decyzji w sterowaniu złożonymi systemami
  

  Projekt badawczy własny KBN
  Czas realizacji: 2001 – 2003

• 
  Struktury i algorytmy sterowania dla złożonych systemów; metody obliczeniowe i zastosowania
  

  Projekt badawczy własny KBN
  Czas realizacji: 1998 – 2000

• Metody, modele i symulacje komputerowe do operacyjnego zarządzania ochroną przeciwpowodziową

  Projekt badawczy własny KBN
  Czas realizacji: 1996 – 1998

• Algorytmy i oprogramowanie do wspomaganej komputerem analizy i syntezy układów sterowania złożonymi procesami

  Projekt badawczy własny KBN
  Czas realizacji: 1995 – 1997

• Opracowanie programu zarządzającego gospodarką zbiornikową na Wydziale Olejowym Polskiego Koncernu Naftowego

  Projekt zamawiany przez Polski Koncern Naftowy w Płocku
  Czas realizacji: 1999

• Projekty realizowane w ramach Priorytetowego Uczelnianego Programu Automatyka, Techniki Informacyjne i Automatyzacja (PATIA) na PW

  Czas realizacji: 1996 – 1999

• Projekt realizowany w ramach Centrum Automatyki i Technik Informacyjno-Decyzyjnych

  Czas realizacji: 1999 – 2000.