Điện toán lưới là gì?

Điện toán lưới là một cơ sở hạ tầng điện toán trong đó các máy tính ở các vị trí địa lý khác nhau được kết nối với nhau để thực hiện các tác vụ chung. Các máy tính này không cần phải ở cùng một tòa nhà hoặc thậm chí cùng một quốc gia, miễn là chúng được kết nối thông qua mạng (cục bộ hoặc qua đám mây ). 

Trong mạng lưới điện toán lưới, một trong các máy tính đóng vai trò là bộ điều khiển phân công nhiệm vụ cho các máy tính còn lại. Trong môi trường điện toán lưới, tất cả các máy tính có thể giao tiếp với máy tính điều khiển nhưng không thể giao tiếp với các máy tính khác trong mạng. 

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điện toán lưới là trong dự báo thời tiết. Để đưa ra dự đoán về thời tiết, các nhà khí tượng học cần thu thập lượng lớn dữ liệu từ nhiều địa điểm khác nhau rồi tính toán các điểm dữ liệu đó cùng nhau. Việc xử lý lượng dữ liệu đó có thể tốn quá nhiều thời gian cho chỉ một máy tính.

Nói như vậy, hiệu quả về thời gian không phải là lợi thế duy nhất của việc sử dụng máy tính lưới. Chúng cũng cho phép người dùng truy cập các tài nguyên tính toán không có sẵn ở vị trí vật lý hiện tại và lưu trữ các tệp của họ trong mạng để những người khác truy cập.

Các thành phần của máy tính lưới

Điểm giao

Các nút là các máy tính hoặc máy chủ được kết nối với nhau để tạo thành một mạng lưới điện toán lưới. Mỗi nút có các tài nguyên khác nhau (và chung), chẳng hạn như GPU (bộ xử lý đồ họa) và bộ nhớ. Về mặt kỹ thuật, không có giới hạn về số lượng nút tham gia vào mạng lưới điện toán lưới.

Có ba loại nút: nút điều khiển, nút cung cấp và nút người dùng.

Phần mềm trung gian lưới

Grid middleware là phần mềm chuyên dụng kết nối và kiểm soát tài nguyên điện toán trong mạng lưới. Phần mềm xử lý các yêu cầu từ các nút người dùng, quản lý tài nguyên và cung cấp bảo mật cho hệ thống bằng cách ngăn chặn việc sử dụng sai kết quả và tài nguyên. 

Kiến trúc điện toán lưới

Kiến trúc lưới biểu diễn cấu trúc của mỗi máy tính trong mạng. Mỗi nút có bốn lớp:

1. Lớp trên cùng bao gồm các ứng dụng cấp cao, chẳng hạn như phần mềm cho các tác vụ cụ thể.
2. Lớp phần mềm trung gian quản lý và phân bổ tài nguyên.
3. Lớp thứ ba là tập hợp các tài nguyên có sẵn như CPU ​​và bộ nhớ.
4. Lớp dưới cùng là kết nối giữa các nút trong mạng lưới. 

Điện toán lưới hoạt động như thế nào?

Mạng lưới điện toán là tập hợp các máy tính làm việc cùng nhau; chúng tôi gọi mỗi máy tính là một nút. Chúng tôi phân loại các nút dựa trên nhiệm vụ chúng thực hiện trong mạng và có ba loại nút trong điện toán lưới.

Nút điều khiển

Một nút điều khiển là quản trị viên mạng và máy tính quản lý việc phân bổ tài nguyên trong mạng. Khi nút người dùng yêu cầu tài nguyên, nút điều khiển sẽ kiểm tra tính khả dụng của tài nguyên. Khi nút điều khiển tìm thấy tài nguyên khả dụng, nó sẽ chỉ định nhiệm vụ đã cho cho nút xử lý tài nguyên đó. Phần mềm điện toán lưới (phần mềm trung gian) cũng chạy trên nút điều khiển.

Nút người dùng

Nút người dùng là máy tính yêu cầu tài nguyên từ các nút khác trong lưới để thực hiện nhiệm vụ được nút điều khiển giao cho. Mỗi yêu cầu đều đi qua nút điều khiển để phê duyệt. Sau đó, kết quả được chia sẻ với các nút khác hoặc nút điều khiển dựa trên nhiệm vụ được giao.

Nút nhà cung cấp

Nút nhà cung cấp là nút chia sẻ tài nguyên với nút người dùng khi được yêu cầu. Nút nhà cung cấp thường thực hiện các tác vụ nhỏ hơn cho nút người dùng và sau đó gửi kết quả đến nút người dùng và nút điều khiển. 

Trong hệ thống, các nút không cố định. Thay vào đó, chúng có thể là nút người dùng hoặc nút nhà cung cấp dựa trên nhiệm vụ mà hệ thống đang cố gắng thực hiện.

Các loại điện toán lưới

1. Mạng lưới tính toán

Mạng lưới điện toán bao gồm các máy tính hiệu suất cao, chẳng hạn như siêu máy tính .

Lưới tính toán là tốt nhất cho các ứng dụng nhạy cảm với thời gian. Ví dụ, lưới tính toán có thể tăng tốc việc tạo báo cáo kinh doanh của công ty trong vài giây hoặc sửa đổi dự đoán thị trường chứng khoán theo thời gian thực bằng cách sử dụng các nút trong mạng có sức mạnh tính toán cao. Điều này dẫn đến hiệu suất tăng đáng kể so với các hệ thống truyền thống.

2. Mạng lưới thu gom

Mạng lưới thu gom CPU có nhiều máy tính thông thường cũng như một số máy tính hiệu suất cao. Thu gom mô tả quá trình tìm kiếm các tài nguyên có sẵn trong mạng lưới máy tính thông thường. Chúng tôi cũng gọi loại mạng lưới này là thu gom CPU hoặc thu gom chu kỳ. 

Mạng lưới thu gom CPU cho phép người dùng ở các vị trí địa lý khác nhau truy cập tài liệu cùng lúc; ví dụ, người dùng có thể truy cập và chỉnh sửa tài liệu, thiết kế và các tệp khác cùng lúc.

Mặc dù điều này có vẻ giống với cách bạn cộng tác với đồng nghiệp thông qua một chương trình như Google Drive, nhưng có những điểm khác biệt chính. Google là nhà cung cấp dịch vụ, vì vậy mọi người trả tiền để truy cập dữ liệu và chúng tôi có thể thực hiện việc đó từ bất kỳ thiết bị nào thông qua trình duyệt web. Tuy nhiên, lưới dựa trên tổ chức và cá nhân thường không trả tiền cho chúng (vì họ nằm trong một tổ chức). Ngoài ra, các thiết bị lưới ít có khả năng truy cập hơn. Bạn chỉ có thể truy cập chúng thông qua phần mềm trung gian. Máy tính lưới cũng ít có khả năng mở rộng hơn nhiều so với cơ sở hạ tầng đám mây.

3. Mạng lưới lưu trữ dữ liệu

Lưới lưu trữ dữ liệu là mạng kết nối các máy tính để cung cấp dung lượng lưu trữ dữ liệu lớn mà người dùng có thể dễ dàng truy cập từ bất kỳ nút nào trong mạng. Chúng ta có thể sử dụng lưới lưu trữ dữ liệu khi cần phối hợp chia sẻ quyền truy cập dữ liệu giữa tất cả người dùng trong mạng lưới. Chúng ta có thể sử dụng loại mạng lưới này làm nơi lưu trữ cho các trang web có cơ sở người dùng toàn cầu như các trường đại học và viện nghiên cứu. 

Ưu điểm của điện toán lưới

Hiệu quả thời gian và tài nguyên 

Sử dụng điện toán lưới cho phép chia nhỏ một nhiệm vụ phức tạp, khổng lồ thành các nhiệm vụ nhỏ hơn, dễ xử lý được thực hiện trên nhiều máy tính cùng lúc. Khi làm như vậy, kết quả tính toán đạt được trong khung thời gian ngắn hơn và sử dụng hiệu quả các nguồn lực có sẵn.

Tiết kiệm chi phí

Điện toán lưới cho phép tái sử dụng các tài nguyên phần cứng hiện có để xử lý các tác vụ khác nhau. Làm như vậy sẽ loại bỏ nhu cầu mua thêm tài nguyên vì điện toán lưới cho phép sử dụng tài nguyên trên đám mây nếu phần cứng cần thiết ở các vị trí vật lý khác.

Sự linh hoạt về thể chất

Vì mạng lưới điện toán lưới được cấu trúc trên nhiều vị trí vật lý khác nhau nên hoạt động này mang lại sự linh hoạt cho người dùng và cho phép họ cộng tác và sử dụng các tài nguyên phần cứng ở nhiều vị trí địa lý khác nhau.

Những hạn chế của điện toán lưới

Tối ưu hóa liên tục

Phần mềm trung gian của mạng lưới cần được tối ưu hóa liên tục. Vì phần mềm trung gian cũng giống như bất kỳ phần mềm nào khác, nên luôn có nguy cơ xảy ra lỗi hoặc một số thứ không hoạt động theo cách mà nó được thiết kế để hoạt động. Hơn nữa, vì loại phần mềm trung gian được sử dụng phụ thuộc vào khả năng của nút điều khiển, nếu chúng ta cập nhật phần cứng, phần mềm trung gian cần phải thay đổi cho phù hợp.

Yêu cầu tốc độ cao

Để làm cho máy tính lưới hiệu quả hơn, các hệ thống cần có kết nối siêu nhanh giữa các tài nguyên máy tính khác nhau để khai thác hết tiềm năng của lưới. Tốc độ là một trong những lý do chính khiến chúng ta sử dụng điện toán lưới, vì vậy, kết nối chậm giữa các nút sẽ làm mất đi mục đích sử dụng máy tính lưới. 

Kiểm soát độ nhạy của nút

Sự cố ở nút điều khiển có thể khiến toàn bộ mạng dừng lại. Nếu phần mềm trung gian trên nút điều khiển bị hỏng hoặc nút điều khiển mất điện, mạng sẽ không thể truy cập được cho đến khi nút điều khiển hoạt động trở lại hoàn toàn.

Ứng dụng của điện toán lưới 

Tài chính

Các dịch vụ tài chính sử dụng điện toán lưới để tính toán và xử lý quản lý rủi ro. Sử dụng mạng lưới lưới cho phép các văn phòng tài chính từ các địa điểm khác nhau gửi dữ liệu đến nút điều khiển, sau đó nút này sẽ chỉ định dữ liệu cho phần cứng có sức mạnh tính toán cao nhất để tính toán rủi ro kịp thời.

Trò chơi

Ngành công nghiệp trò chơi sử dụng điện toán lưới để cung cấp thêm tài nguyên tính toán cho các nhà phát triển trò chơi. Phát triển trò chơi đòi hỏi phải xử lý hình ảnh và video nặng trong đồ họa chất lượng cao, đòi hỏi rất nhiều sức mạnh tính toán mà máy tính cá nhân của nhà phát triển thường không có. 

Phim và Truyền hình

Các công ty sản xuất phim đôi khi sản xuất phim với các hiệu ứng đặc biệt phức tạp. Việc tạo ra các hiệu ứng này có thể đòi hỏi một máy tính mạnh; máy tính lưới giúp quá trình đó hiệu quả hơn. Một công ty sản xuất có thể có một số lượng hạn chế các máy tính hiệu suất cao mà mọi người có thể truy cập thông qua mạng lưới để xử lý công việc của họ.

Kỹ thuật

Các loại kỹ sư khác nhau (điện, công nghiệp, hóa học, phần mềm) sử dụng điện toán lưới để tạo mô hình, phân tích thiết kế và chạy mô phỏng phức tạp của nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, kỹ sư điện có thể sử dụng điện toán lưới để chạy mô phỏng các mạch lớn trước khi xây dựng chúng. Tương tự như vậy, kỹ sư hóa học có thể sử dụng mạng lưới để truy cập điện toán hiệu suất cao nhằm kiểm tra các tương tác hóa học khác nhau giữa các nguyên tố và phát triển một phương pháp điều trị cụ thể (chẳng hạn như khi các nhà khoa học đang phát triển vắc-xin Covid-19 ).

Nghiên cứu khoa học

Các nhà nghiên cứu khoa học sử dụng máy tính lưới để truy cập vào các máy tính hiệu suất cao trên đám mây nhằm thực hiện các tác vụ phức tạp mà chúng không thể xử lý cục bộ. Trong các viện nghiên cứu của trường đại học, thường có một hoặc một vài siêu máy tính mà các nhà nghiên cứu có thể truy cập thông qua mạng nội bộ của tổ chức. Điều này hữu ích vì nghiên cứu khoa học thường đòi hỏi phải xử lý lượng dữ liệu khổng lồ mà máy tính cá nhân không thể lưu trữ hoặc xử lý.