Điện toán biên là gì?

Hình ảnh: Shutterstock

Điện toán biên là hoạt động đặt các tài nguyên điện toán, lưu trữ dữ liệu và ứng dụng gần hơn với các nguồn dữ liệu (như thiết bị IoT hoặc cơ sở dữ liệu và máy chủ cục bộ). Giảm khoảng cách vật lý giữa các thực thể này giúp giảm độ trễ dữ liệu và tăng tốc hiệu suất mạng tổng thể.

Matt Trifiro, giám đốc tiếp thị tại Vapor IO cho biết: "Mục đích chính của điện toán biên là để đến gần hơn với các thiết bị, giảm lượng dữ liệu cần di chuyển do lý do độ trễ, để đến gần hơn để phản hồi nhanh hơn" .

Cơ bản về điện toán biên

Ý tưởng cơ bản của điện toán biên là: Một công việc dữ liệu đòi hỏi ít hoặc không cần di chuyển thường có thể được hoàn thành nhanh hơn và dễ dàng hơn so với công việc đòi hỏi một chuyến đi dài — đặc biệt là nếu, ở cuối hành trình đó, nhiều công nhân khác cần sử dụng máy của bạn.

Ngày nay, có khả năng cao là mọi thứ từ bóng đèn trong bếp đến ô tô trong gara của bạn đều được "kết nối". Luồng công việc xử lý dữ liệu không bao giờ kết thúc — và luôn tăng lên — đó có nghĩa là áp lực lớn lên các trung tâm dữ liệu. Điện toán biên giúp giảm bớt gánh nặng đó bằng cách di chuyển một số quá trình xử lý gần hơn với điểm xuất phát của nó — càng gần nơi diễn ra hành động càng tốt. 

Và vì vậy, thay vì di chuyển đến đám mây , quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện "trên rìa". Đôi khi điều đó có nghĩa là quá trình xử lý diễn ra tại nơi dữ liệu được khởi chạy — trong chính thiết bị. Hãy nghĩ đến các tua-bin gió được trang bị cảm biến và máy lắp ráp. Đối với các công việc lớn hơn, đôi khi nó cũng có nghĩa là xử lý trong "cloudlet", về cơ bản là các trung tâm dữ liệu nhỏ phi tập trung có thể xử lý một số lệnh nhất định của một số người dùng nhất định. 

Một số người theo dõi ngành công nghiệp tin rằng một ngày nào đó, đám mây sẽ chủ yếu được sử dụng để lưu trữ và tính toán khối lượng lớn. Và do lượng dữ liệu khổng lồ mà chúng hấp thụ, nhiều đột phá công nghệ trong tương lai — những thứ như xe tự lái dựa vào LIDAR để tránh va chạm và giao hàng bằng máy bay không người lái quy mô lớn — gần như chắc chắn sẽ kết hợp các trung tâm dữ liệu biên. Những đổi mới lớn hiện đang cất cánh, như IoT, AI và nông nghiệp công nghệ cao cũng dựa vào biên.

Điện toán biên hoạt động như thế nào?

Với điện toán biên, mục tiêu chính là xử lý dữ liệu tại vị trí chính xác hoặc càng gần càng tốt với nơi dữ liệu được tạo và sử dụng. Để thực hiện điều này, dữ liệu được xử lý ngay bên ngoài mạng lõi (bao gồm internet và công nghệ IP) tại biên mạng, khu vực mà các thiết bị và máy chủ cục bộ kết nối và giao tiếp với internet. 

Các thiết bị xử lý dữ liệu trên biên mạng được gọi là thiết bị biên. Thiết bị biên giúp thu thập và lọc dữ liệu trên thiết bị hoặc thông qua máy chủ biên cục bộ và chỉ truyền dữ liệu cần thiết nhất đến các trung tâm dữ liệu nằm trên mạng lõi (như đám mây và kho dữ liệu). Các thiết bị biên này có thể bao gồm cảm biến chuyển động, camera thông minh, nhiệt kế thông minh, rô bốt , máy bay không người lái và các cảm biến IoT khác .

Tại sao điện toán biên lại quan trọng?

Bằng cách xử lý dữ liệu trên biên mạng, dữ liệu không cần thiết sẽ được loại bỏ sớm, nghĩa là bạn không phải gửi dữ liệu giữa các thiết bị và đám mây để xử lý. Điều này giúp giảm thời gian và chi phí truyền tải, cũng như tăng khả năng xử lý tại các vị trí từ xa. Và, với ít dữ liệu được truyền tải giữa các mạng hơn và dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị biên gần so với các thiết bị cá nhân, các mối đe dọa bảo mật sẽ được ngăn chặn.

Lợi ích của điện toán biên

Thời gian phản hồi nhanh hơn

Độ trễ dữ liệu thấp, lưu lượng dữ liệu ít hơn và tốn ít thời gian hơn để truyền dữ liệu giữa các mạng có nghĩa là thời gian phản hồi nhanh hơn trên các ứng dụng phần mềm. Điều này có thể giúp cảnh báo ngay cho công nhân về lỗi máy móc hoặc giúp xe tự lái xác định chướng ngại vật nhanh hơn.

Giảm chi phí điện toán đám mây và CNTT

Không phải tất cả dữ liệu được thu thập bởi các cảm biến biên đều được gửi đến các trung tâm dữ liệu, điều này làm giảm nhu cầu quản lý dữ liệu, chi phí truyền tải và chi phí cần thiết để xử lý và lưu trữ dữ liệu trên đám mây. 

Tăng cường bảo mật và quyền riêng tư

Bằng cách sử dụng điện toán biên, dữ liệu có thể được lưu trữ và di chuyển giữa các thiết bị biên, máy chủ và cổng được mã hóa khác nhau. Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng dữ liệu phi tập trung, nơi dữ liệu không được lưu trữ tất cả ở một nơi, trái ngược với cơ sở hạ tầng tập trung được sử dụng trên đám mây. 

Bản chất phi tập trung của điện toán biên có nghĩa là một thiết bị biên bị xâm phạm không ảnh hưởng đến dữ liệu trên tất cả các thiết bị khác. Các biện pháp bảo mật bổ sung cũng có thể được triển khai trực tiếp trên các thiết bị biên như tường lửa hoặc hệ thống phát hiện xâm nhập.

Những thách thức với điện toán biên 

Phức tạp để thiết lập

Ngoài những gì một số người coi là sự hợp tác không đầy đủ giữa các nhà xây dựng phần cứng và nhà cung cấp phần mềm, thực tế vẫn là việc xây dựng một mạng lưới điện toán biên là công việc khó khăn. Ví dụ, Vapor IO phải tìm ra cách để các mô-đun của mình hoạt động ở một số vùng xa xôi hẻo lánh trong khi vẫn hỗ trợ nhiều bên thuê, cung cấp cho khách hàng khả năng quan sát tốc độ xử lý từ xa và duy trì toàn bộ hoạt động mà không cần bảo trì tại chỗ liên tục.

Hạn chế phần cứng

Mặc dù công nghệ kỹ thuật số ngày càng tiên tiến, phần cứng vẫn ngoan cố phụ thuộc vào các điều kiện vật lý. Ví dụ như quạt trong máy tính xách tay của bạn hoặc hệ thống nước hoặc dầu làm mát phức tạp trong các trung tâm dữ liệu quy mô lớn. Để đạt được mục đích đó, Vapor IO đã thiết kế giá đỡ máy chủ của mình thành hình trụ thay vì hình chữ nhật để tối ưu hóa luồng không khí. Nó cũng bổ sung một loạt các cảm biến, màn hình và chuyển hướng không khí để duy trì nhiệt độ lý tưởng.

Lỗ hổng bảo mật vật lý

Khi mạng lưới được đẩy xa hơn khỏi đám mây giống như pháo đài, các vấn đề phát sinh liên quan đến bảo mật vật lý của các tiền đồn — ngay cả khi ranh giới làm cho việc truyền dữ liệu an toàn hơn . Nhưng điều đó có thể ít rủi ro hơn là cơ hội. 

Mahadev “Satya” Satyanarayanan, giáo sư khoa học máy tính tại Đại học Carnegie Mellon cho biết, quá trình phát triển phần cứng chống giả mạo và xóa dữ liệu khi bị giả mạo đã bị đình trệ một chút khi điện toán đám mây phát triển vào đầu những năm 2000, nhưng sự phát triển của điện toán biên có thể sẽ hồi sinh cả cơ hội nghiên cứu và kinh doanh trong lĩnh vực này.

Satyanarayanan cho biết: “Khi điện toán biên trở nên nổi bật và quan trọng, nhiều ý tưởng [bảo mật] vốn đã ngủ yên sẽ lại trở nên quan trọng”. “Bạn có thể thấy các dòng phần cứng có thể triển khai ở biên có thêm một số lớp bảo vệ”.

Điểm yếu cơ bản

Các trung tâm dữ liệu biên cũng phải có khả năng chịu được các yếu tố bên ngoài. Như các tác giả của một báo cáo do tổ chức thành viên biên State of the Edge viết, “Không giống như các trung tâm dữ liệu siêu quy mô tập trung, có thể được định vị cẩn thận và có phương pháp, các trung tâm dữ liệu biên thường cần phải ở gần dữ liệu, bất kể vị trí khắc nghiệt như thế nào.” Rủi ro lũ lụt và động đất, ô nhiễm không khí và biến động nhiệt độ đều phải được xem xét.

Yêu cầu Đất đai và Vật liệu Cụ thể 

Việc tiếp cận đất đai và cáp quang cũng có thể là rào cản. Crown Capital — đối tác của Vapor IO và là chủ sở hữu lớn nhất của cơ sở hạ tầng không dây tại Hoa Kỳ — có rất nhiều cả hai, bao gồm cả ở Chicago, Illinois, nơi các tuyến cáp quang mở rộng của công ty kết nối các mô-đun biên của Vapor IO. Thành phố này từ lâu đã là trung tâm đường sắt của Hoa Kỳ. Sau khi các công ty đường sắt sử dụng quyền cấp đất của mình để các đối tác viễn thông chạy các tuyến cáp quang dọc theo các tuyến đường sắt, nơi đây cũng đã trở thành một trung tâm cáp quang lớn. Về mặt mạng lưới, không phải tất cả các thành phố đều may mắn như vậy.

Đôi khi, việc tiếp cận nguồn điện cũng đặt ra một thách thức. Hãy lấy ví dụ về cấu trúc Chicago đã đề cập ở trên, nơi Vapor IO thiết lập một buồng giá đỡ: cấu trúc này đã tồn tại như một địa điểm Crown Capital, điều đó có nghĩa là rất nhiều điện đã chảy qua đó. Các địa điểm tương tự, mặc dù có thể hấp dẫn, nhưng không phải lúc nào cũng may mắn như vậy. Đôi khi, Vapor IO phải đợi nhiều tháng để một công ty điện hoặc tiện ích mở rộng các đường dây điện cần thiết.

Tất cả những điều đó có nghĩa là, ngành công nghiệp biên cần nguồn vốn dồi dào để phát triển. Theo Trifiro, việc triển khai các trung tâm dữ liệu đòi hỏi "hàng triệu đô la cho mỗi thành phố".

Trong khi sự phát triển của điện toán biên đang gặp phải nhiều thách thức, không có thách thức nào có vẻ giống với mối đe dọa hiện hữu - đặc biệt là khi xét đến cơn sóng thần sắp xảy ra của công nghệ sắp ra mắt.

Ứng dụng của điện toán biên

Xe tự hành

Điện toán biên có thể giúp xe tự hành và xe tự lái xử lý dữ liệu xung quanh chúng ở tốc độ nhanh hơn, tất cả đều không cần đến đám mây. Điều này có thể tăng thời gian phản ứng của xe và giảm tai nạn, cũng như duy trì hoạt động của xe khi ngoại tuyến hoặc ở vùng nông thôn, giúp việc di chuyển an toàn hơn.

Ngân hàng và Tài chính 

Các tính năng bảo mật của điện toán biên có thể giúp các dịch vụ ngân hàng và tài chính an toàn hơn. Các máy ATM sử dụng xác thực sinh trắc học có thể xử lý dữ liệu khuôn mặt hoặc dấu vân tay theo thời gian thực và ngay lập tức cảnh báo các cơ quan chức năng nếu phát hiện gian lận. Thêm vào đó, vì dữ liệu người dùng sẽ được lưu trữ cục bộ với các thiết bị biên, điều này ngăn ngừa khả năng mất dữ liệu do phải chuyển dữ liệu ngân hàng đến các trung tâm dữ liệu.

Trò chơi 

Độ trễ dữ liệu thấp trong điện toán biên giúp giảm độ trễ và tốc độ tải nhanh hơn, nghĩa là ít bị gián đoạn hơn khi chơi game. Các nhân vật AI và tính tương tác trong trò chơi trực tuyến cũng có thể được cải thiện, vì dữ liệu sẽ được xử lý cục bộ và theo thời gian thực để phù hợp với khả năng của người chơi.

Chăm sóc sức khỏe

Trong chăm sóc sức khỏe, thiết bị và thiết bị đeo sử dụng điện toán biên có thể cung cấp cho các chuyên gia cái nhìn gần như ngay lập tức về các chỉ số quan trọng của bệnh nhân như huyết áp, nhịp tim và mức oxy. Kết hợp công nghệ biên và AI cũng có thể phát hiện các bất thường nhanh hơn trong hình ảnh y tế và làm nổi bật các vấn đề sức khỏe tức thời.

Nhà thông minh

Nhà thông minh dựa vào nhiều cảm biến IoT để hoạt động, theo dõi các khía cạnh như chuyển động, không khí, độ ẩm và nhiệt độ. Sử dụng điện toán biên cho các thiết bị này đảm bảo mọi thứ trong nhà đều hoạt động dựa trên phân tích tức thời, cho phép ngôi nhà tự động điều chỉnh nhiệt độ hoặc nhanh chóng cảnh báo cư dân về phát hiện khí carbon monoxide.

Liệu điện toán biên có phát triển không?

Satyanarayanan cho biết mặc dù số lượng thiết bị điện toán ngày càng tăng và các công ty công nghệ biên đạt được những thành tựu quan trọng trong giai đoạn đầu, nhưng điện toán biên vẫn đang trong giai đoạn trì trệ. 

Thật khó để khởi động — đặc biệt là về mặt chuỗi cung ứng. 

“Bạn cần các nhà điều hành mạng, nhà cung cấp đám mây, nhà cung cấp thiết bị, ứng dụng điều phối phần mềm trung gian, nhà cung cấp phần mềm,” Trifiro cho biết. “Bạn cần toàn bộ chuỗi giá trị đó.”

Satyanarayanan giải thích rằng các nhà phát triển ứng dụng phụ thuộc vào biên cũng có thể được khuyến khích tăng tốc hơn nữa nếu họ tin tưởng rằng các nhà xây dựng cơ sở hạ tầng đang đầu tư lớn vào biên. Nhưng những người sáng tạo điện toán biên cũng muốn thấy cam kết rõ ràng đó từ các nhà phát triển. 

Một cách tiềm năng để giải quyết bế tắc và khơi dậy mối quan hệ đối tác cần thiết? Một ứng dụng cầu nối thành công, một ứng dụng — mượn một cụm từ sản phẩm — vượt qua vực thẳm, chuyển từ những người dùng đầu tiên sang công chúng rộng rãi hơn.

Nhưng một số nhà xây dựng hầu như không nhàn rỗi trong khi chúng ta chờ đợi thời điểm đột phá của điện toán biên. Ngay cả khi không có nhiều ví dụ lớn về điện toán biên để tham khảo, công nghệ này đã được các công ty lớn như Microsoft, IBM và Intel công nhận, nghĩa là cơ hội cho các nhà phát triển tham gia vào điện toán biên có thể chỉ tăng lên.