Các nhà khoa học thuộc đại học Cornell, Hoa Kỳ, vừa mới đề xuất một thiết kế không dây mới cho kết nối giữa các máy chủ của những trung tâm dữ liệu đám mây lớn trên thế giới. Thiết kế này hứa hẹn khả năng cắt giảm mức tiêu thụ điện năng và chi phí hệ thống xuống chỉ còn khoảng 1/12 so với trước, trong khi hiệu năng toàn hệ thống lại tăng lên. Với nghiên cứu này, nếu được thử nghiệm thành công và triển khai thực tế, một trung tâm dữ liệu không dây có tốc độ cao hơn, rẻ hơn, và thân thiện với môi trường sẽ ngày càng phổ biến và thay thế dần mô hình trung tâm dữ liệu với hệ thống switch và dây nhợ xưa cũ.

Trước khi đi vào nội dung của thiết kế mới, hãy cùng trở lại một chút với những vấn đề kinh tế và môi trường mà điện toán đám mây đang đối mặt. Như chúng ta biết, trong điện toán đám mây, dữ liệu được lưu trữ và truy xuất thông qua các trung tâm dữ liệu đặt ở xa. Lợi thế quy mô giúp những nhà cung cấp dịch vụ điện toán đám mây có thể bán các dịch vụ này đến với khách hàng với giá rẻ hơn việc khách hàng tự đầu tư hệ thống cho riêng mình. Tuy nhiên, các trung tâm dữ liệu với hàng ngàn máy tính mỗi ngày dùng hàng ngàn kilowatt (kw) điện đặt gánh nặng chi phí, duy trì, và bảo dưỡng lên vai các nhà điều hành. Do đó, việc cắt giảm mức tiêu thụ điện sẽ gián tiếp cắt giảm chi phí giúp cả nhà cung cấp lẫn người thuê dịch vụ đạt được mức giá hợp lý hơn. Không những thế, giảm lượng điện tiêu thụ còn giúp bảo vệ môi trường Trái Đất chúng ta nữa. Nếu có một phương pháp nào đó vừa giảm lượng điện tiêu thụ, giảm chi phí, dễ dàng bảo dưỡng, lại vừa tăng hiệu năng hệ thống và tốc độ truy xuất, thì quả thật tuyệt vời. Điều đó có lẽ không cần phải bàn cãi thêm nhiều nữa.

Hiểu được sự cần thiết đó, nhóm nghiên cứu gồm 3 thành viên tại Đại Học Cornell và 1 thành viên của trung tâm Microsoft Research mới đây đã đề ra một thiết kế mới cho hệ thống điện toán đám mây có khả năng thành công rất cao mang tên “Cayley Data Center” dựa trên kết nối mạng không dây và đặt theo tên nhà toán học nổi tiếng Arthur Cayley, người có công xây dựng nên nền tảng toán học mà thiết kế bây giờ của nhóm đang dựa trên đó.

Trong cấu trúc trung tâm dữ liệu truyền thống, các máy chủ được xếp chồng trong các tủ rack vuông giống như các hộp pizza trong một chiếc xe tải vậy. Trên mỗi chồng là một chiếc switch có chức năng định tuyến tín hiệu ra vào máy chủ và gửi chúng đi theo đường dây cáp đến các máy chủ khác, dựa trên địa chỉ điện tử của chúng. Nhìn chung, các switch trong những trung tâm dữ liệu lớn khá đắt tiền và là thành phần tiêu thụ khá nhiều năng lượng, nếu cắt bỏ được chúng thì sẽ giải quyết được nhiều vấn đề kèm theo.

Được truyền cảm hứng bởi thiết bị thu phát không dây tần số 60 GHz vừa được phát triển tại trường Georgia Tech trên công nghệ chip CMOS rẻ tiền, bản thiết kế mới của nhóm nghiên cứu sử dụng bộ thu phát này để phát sóng dưới dạng hình nón hẹp. Bởi vì bức xạ 60 GHz dễ dàng bị suy yếu bởi môi trường xung quanh với tầm hoạt động chỉ trong khoảng 10m tính từ nguồn, nhóm nghiên cứu có thể sử dụng thiết bị này để giao tiếp trong khoảng ngắn mà không sợ giao thoa hay nhiễu xạ với các hoạt động khác ở các khu vực khác gần đó. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong việc biến nó thành phương tiện giao tiếp thay cho switch và dây dợ trong hệ thống cũ.

Trong thiết kế mới, các máy chủ được đặt thẳng đứng trong một tủ rack hình trụ tròn gồm nhiều tầng xếp chồng lên nhau. Mỗi lát cắt hình nêm của mỗi tầng là một máy chủ (hình 1). Ở mặt trong và mặt ngoài của mỗi máy chủ sẽ được đặt tương ứng một bộ thu phát 60 GHz để có thể giao tiếp vơi các máy chủ khác. Ở phía ngoài, các tủ rack được sắp xếp thành từng hàng theo kiểu mạng lưới (hình 2), do cách sắp xếp như vậy nên mỗi tủ rack sẽ có thể kết nối không dây với 8 tủ rack khác ở xung quanh trong khi các máy chủ trong cùng mỗi tủ rack thì được kết nối bằng các bộ thu phát tại mặt trong của mỗi máy chủ.

Hình 1: Các máy chủ trong mô hình Trung Tâm Dữ Liệu Cayley được bố trí trong các tủ rack hình trụ tròn. Mỗi máy chủ có thể gửi tín hiệu không dây tần số 60 GHz đến tủ rack bên cạnh hoặc đến các máy chủ trong cùng rack.

Thay vì phụ thuộc vào các switch, dây cáp, cùng với các địa chỉ điện tử, các máy chủ sẽ thực hiện định tuyến dựa trên vị trí vật lý của đích đến. Tín hiệu được truyền từ tủ rack này qua tủ rack khác, với lộ trình là quãng đường khả dĩ ngắn nhất từ máy nguồn đến máy đích (giống như cho 2 điểm nút trong 1 mạng lưới, hãy tìm đường đi ngắn nhất từ đường này đến đường kia thông qua các điểm khác trong mạng lưới vậy) (hình 2). Theo các nhà khoa học, một Trung Tâm Dữ Liệu Cayley có khả năng chống sụp hệ thống tốt hơn so kiểu cũ, bởi vì nếu toàn bộ các máy chủ trong một tủ rack chết, tín hiệu vẫn có thể đi vòng qua các nút (tủ rack) khác để đến đích. Một mô phỏng cho thấy phải 59% số máy chủ trong một trung tâm chết thì giao tiếp của hệ thống mới bị phá hỏng. Mà như các bạn biết, một trung tâm mà có số máy chết nhiều như thế họa chăng chỉ có khủng bố (mạng/thực) mà thôi.

Hình 2: Mỗi máy chủ nhận một gói dữ liệu từ nguồn sẽ chuyển nó đến máy chủ gần nó và gần đích đến cuối cùng. Trong hình này gói dữ liệu từ nguồn chuyển đến máy chủ ở giữa phía trên, sau đó chuyển qua 1 máy chủ khác cùng rack rồi tương tự vậy chuyển đến máy chủ cuối cùng.

Về chi phí hệ thống, nhóm nghiên cứu nói rằng họ khó có thể đánh giá chính xác được, lý do được đưa ra là bởi các bộ thu phát 60 GHz chưa được thương mại hóa trên thị trường. Tuy nhiên, bằng cách dựa trên một số phỏng đoán lôgic có cơ sở hợp lý, nhóm nghiên cứu cho biết chi phí cho kết nối không dây giữa các mảy chủ kiểu này có thể thấp bằng 1/12 chi phí cho kết nối bằng các switch và dây cáp trong hệ thống cũ cho một hệ thống có khoảng 10.000 máy chủ.

Không chỉ có ưu điểm về chi phí cho kết nối, theo nhóm nghiên cứu, mức độ tiêu thụ điện năng của thiết kế hệ thống mới này cũng sẽ giảm tương ứng bằng 1/12 mức cũ. Do không tồn tại dây cáp nữa, nên việc duy trì bảo dưỡng cũng sẽ dễ dàng hơn trước. Những ưu điểm này cộng thêm khả năng sụp đổ hệ thống thấp hơn nhiều khiến cho thiết kế mới hoàn toàn vượt trội so với kiểu cũ.

“Chúng tôi kết luận rằng [kết nối không dây] 60 GHz có thể cách mạng hóa tính đơn giản trong xây dựng và bảo dưỡng các trung tâm dữ liệu”, các nhà khoa học kết luận trong bài báo của mình.

Hiện tại, thiết kế mới này đã được nhóm đưa lên trên kho dữ liệu Cornell eCommons và sẽ được trình bày tại hội nghị chuyên đề ACM/IEEE Symposium on Architectures for Networking and Communications Systems lần thứ 8 diễn ra vào cuối tháng 10 tại Đại Học Texas. Hy vọng nó sẽ nhận được nhiều đánh giá tốt và đưa vào ứng dụng thực tế trong tương lai gần.

Nguồn: Phys.org