Trung tâm dữ liệu © 2025 iStock
Trong dự án hệ thống máy tính lớn nhất từng được thực hiện tại EPFL, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã đưa ra một phương pháp mới để xây dựng máy tính nhằm giúp giải quyết những thách thức ngày càng gia tăng mà các trung tâm dữ liệu đang phải đối mặt.
Ai cũng biết cảm giác có quá nhiều thứ phải suy nghĩ cùng một lúc, nhưng hãy tưởng tượng điều đó sẽ như thế nào đối với các máy chủ trung tâm dữ liệu. Rất thường xuyên, cùng một máy phải đáp ứng nhu cầu của nhiều chương trình khác nhau, theo yêu cầu của nhiều người dùng khác nhau, tất cả cùng một lúc.
Không chỉ có hàng đợi chờ cấp phát bộ nhớ máy chủ, mà còn có cả các bước kiểm tra bảo mật: mỗi yêu cầu phải được xử lý cẩn thận để người dùng không thể xem dữ liệu của nhau. Kết quả là gì? Tắc nghẽn. Máy chủ hoạt động chậm, tài nguyên không được sử dụng hiệu quả.
Để giải quyết vấn đề này, cách đây 5 năm, Babak Falsafi, Giáo sư tại Trường Khoa học Máy tính và Truyền thông , đã thành lập một nhóm quốc tế đa tài để tạo ra Midgard, một phương pháp tiếp cận mới trong việc sử dụng bộ nhớ ảo cho các hệ điều hành hiện nay.
“Các nguyên tắc hệ thống máy tính truyền thống để quản lý bộ nhớ có từ những năm 1960,” Falsafi giải thích. “Nhưng từ lâu, Apple đã thiết kế lại phần cứng và phần mềm máy tính dành riêng cho iPhone và máy tính xách tay/máy tính để bàn Mac của mình. Đây là điều mà các nhà thiết kế máy chủ trung tâm dữ liệu đáng lẽ phải làm từ nhiều năm trước. Các nguyên tắc hệ thống máy tính truyền thống không còn phù hợp với những yêu cầu cực kỳ cao của các dịch vụ đám mây hiện nay.”
Các chương trình máy tính cần phải xác định nơi thực hiện phép tính và bộ nhớ ảo là cách máy tính đánh lừa chương trình tin rằng nó có nhiều không gian hơn để thực hiện phép tính so với thực tế. Hơn nữa, không gian này được chia sẻ giữa các chương trình mà chúng không hề hay biết. Nhiệm vụ của bộ nhớ ảo là hướng dẫn mỗi chương trình đến không gian được phân bổ cho nó và thực hiện kiểm tra danh tính và quyền truy cập mỗi khi không gian đó được sử dụng. Điều này đảm bảo các chương trình không xung đột với nhau, nhưng nó làm cho quá trình xử lý chậm hơn.
Để nâng cao hiệu suất của máy chủ, nhóm Midgard đã bắt tay vào thiết kế lại bộ nhớ ảo. Họ phân vùng bộ nhớ ảo để các chương trình có thể nhanh chóng tìm thấy không gian làm việc của mình và phần cứng có thể thực hiện các kiểm tra truy cập với độ trễ và năng lượng tối thiểu.
Midgard không chỉ giúp giảm thiểu tắc nghẽn trong bộ nhớ ảo trong khi vẫn duy trì mức độ bảo mật cao cần thiết cho trung tâm dữ liệu, mà còn tương thích với các tiêu chuẩn phát triển phần mềm hiện đại (cho điện thoại, máy tính xách tay/máy tính để bàn và máy chủ) và không phụ thuộc vào các nhà phát triển ứng dụng.
Lợi ích không chỉ là hiệu suất nhanh hơn mà còn là mức độ hiệu quả cao hơn nhiều, đóng vai trò quan trọng trong cuộc chiến giảm thiểu lượng khí thải carbon của các trung tâm dữ liệu.
“Trong các trung tâm dữ liệu, bộ nhớ là một thành phần phần cứng dùng chung và chiếm 50% chi phí máy chủ, với dung lượng đã tăng gấp 12 bậc độ lớn kể từ cuối những năm 1960,” Falsafi cho biết.
Tuy nhiên, máy chủ không phải lúc nào cũng được sử dụng hiệu quả trong các trung tâm dữ liệu. Có những báo cáo độc lập chỉ ra rằng hơn một nửa dung lượng bộ nhớ mà các nhà cung cấp dịch vụ đám mây cho khách hàng thuê không được sử dụng.
“Microsoft gần đây đã báo cáo rằng do cách họ cho thuê máy chủ cho khách hàng điện toán đám mây, 20% bộ nhớ của họ bị bỏ phí (không được cho thuê). Chúng tôi đang cố gắng tạo ra các công nghệ để giúp các nhà điều hành và khách hàng của họ sử dụng phần cứng hiệu quả hơn”, ông tiếp tục.
Khi dự án Midgard kéo dài 5 năm sắp kết thúc, nó có thể tự hào với hàng loạt ấn phẩm, một mô hình trình diễn nội bộ cho thấy sự cải thiện vượt bậc, một bài thuyết trình ấn tượng tại Intel và – tất nhiên – những cuộc thảo luận về phần tiếp theo.
“Hiện tại chúng tôi đang nghiên cứu điện toán quy mô rack,” Falsafi giải thích, “với một tập hợp các máy chủ được thiết kế chuyên dụng, hoạt động như một máy tính duy nhất trong trung tâm dữ liệu. Với các kiến trúc mạng mới nổi kết nối toàn bộ rack máy chủ với nhau, các dịch vụ đám mây có thể sử dụng tất cả phần cứng, không chỉ bộ nhớ, hiệu quả hơn trong các trung tâm dữ liệu. Chúng tôi muốn tiếp tục với những gì đã khám phá được ở Midgard và phát triển chiến lược tốt nhất có thể để cải thiện việc sử dụng phần cứng của các trung tâm dữ liệu trong tương lai. Đây là mục tiêu thúc đẩy chúng tôi.”
Các nhà nghiên cứu chính của dự án Midgard bao gồm: Giáo sư Babak Falsafi, Giáo sư Mathias Payer và Giáo sư David Atienza , các đồng nghiệp từ Trung tâm EPFL EcoCloud , cũng như Giáo sư Abhishek Bhattacharjee tại Đại học Yale và Giáo sư Boris Grot tại Đại học Edinburgh. Họ đã nhận được sự hỗ trợ từ các giảng viên và nhà nghiên cứu liên kết của EPFL tại Thụy Sĩ và trên toàn thế giới.