Nền tảng điện toán thấp carbon từ những chiếc điện thoại đã nghỉ hưu

Nền tảng điện toán thấp carbon từ những chiếc điện thoại đã nghỉ hưu

Các nhà nghiên cứu tại Đại học California San Diego, với sự hỗ trợ của Google, đang xây dựng một "đời sống thứ hai" cho điện thoại thông minh cũ bằng cách biến chúng thành một nền tảng điện toán đám mây. Dự án này tận dụng sức mạnh của các bo mạch chủ điện thoại để tạo ra cụm máy tính giúp giảm thiểu khí thải carbon và chi phí phần cứng mới.

Thách thức về dấu chân carbon trong điện toán

Dấu chân carbon của lĩnh vực điện toán đang trở thành một vấn đề bền vững cấp bách. Nguyên nhân chính đến từ hai nguồn: carbon vận hành (phát thải từ năng lượng tiêu thụ khi sử dụng) và carbon ẩn (phát thải liên quan đến sản xuất phần cứng). Trong khi carbon vận hành có thể được giải quyết bằng cách nâng cao hiệu quả năng lượng và sử dụng năng lượng sạch, thì dấu chân từ sản xuất phần cứng lại là một rào cản phức tạp hơn nhiều.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại UC San Diego đang khám phá khái niệm "điện toán cụm điện thoại" (phone cluster computing). Đây là quá trình trích xuất bo mạch chủ từ những chiếc điện thoại đã nghỉ hưu, tập hợp chúng thành các cụm và triển khai lại như một nền tảng điện toán mục đích chung. Với sự hỗ trợ của Google, đại học này dự kiến triển khai một trung tâm dữ liệu được xây dựng từ 2.000 chiếc điện thoại Pixel, cung cấp điện toán đám mây chi phí thấp và thấp carbon cho hàng trăm nhà nghiên cứu và sinh viên.

So sánh hiệu suất SPEC giữa điện thoại và máy chủ

Tiềm năng của điện thoại thông minh

Trung bình, mọi người thay thế điện thoại của họ cứ mỗi bốn năm một lần. Tuy nhiên, nhiều chiếc điện thoại bị thay thế vẫn có các chức năng tính toán cốt lõi hoạt động tốt và là những máy tính khá mạnh mẽ với bộ vi xử lý, bộ tăng tốc, bộ nhớ và bộ lưu trữ tích hợp.

Hiệu suất đơn luồng của các lõi xử lý hiệu suất trên điện thoại thông minh hiện đại tương đương hoặc thậm chí tốt hơn các lõi trên máy chủ đa lõi hiện nay. Sự khác biệt lớn nhất nằm ở kích thước và dung lượng: máy chủ chứa hàng chục lõi mạnh mẽ và bộ nhớ khổng lồ, trong khi điện thoại chỉ có một vài lõi xử lý dị cấu hình và 8-12GB bộ nhớ. Thách thức đặt ra là tìm các ứng dụng phù hợp với dung lượng của một chiếc điện thoại.

Từ thiết bị tiêu dùng đến phần cứng trung tâm dữ liệu

Việc triển khai trực tiếp các điện thoại tiêu dùng chưa qua sửa đổi vào môi trường trung tâm dữ liệu sẽ gây nguy hiểm và kém hiệu quả. Các thành phần tính toán của điện thoại được bao bọc bởi màn hình, pin, vỏ và các thiết bị ngoại vi như camera — những thứ không cần thiết trong ngữ cảnh máy chủ. Hơn nữa, pin chứa các vật liệu không được đánh giá an toàn cho môi trường trung tâm dữ liệu.

Hoạt ảnh xây dựng máy chủ từ điện thoại

Trước khi triển khai, điện thoại phải được xử lý để loại bỏ mọi thứ ngoại trừ bo mạch chủ, nơi chứa chức năng tính toán cốt lõi. Bo mạch chủ đóng góp phần lớn nhất vào lượng carbon ẩn (khoảng 50%), do đó nỗ lực này tập trung vào các thành phần quan trọng nhất.

Hệ điều hành Android vốn dĩ dựa trên Linux, nhưng không gian người dùng (userspace) định hướng di động phải được thay thế bằng một bản phân phối Linux mục đích chung. Việc cập nhật hệ điều hành không chỉ mang lại khả năng lập trình mà còn tắt bỏ nhiều cơ chế bảo vệ quan trọng cho thiết bị tiêu dùng nhưng không cần thiết cho điện toán đám mây, chẳng hạn như trình nền "low memory killer" vốn hạn chế các ứng dụng tiêu tốn nhiều bộ nhớ.

Thách thức trong việc điều phối các tác vụ trên số lượng thiết bị lớn — kết quả benchmarking SPEC cho thấy 25-50 điện thoại tương đương với một máy chủ hiện đại — được giải quyết bằng cách sử dụng các ứng dụng container hóa được quản lý bởi Kubernetes. Các điện thoại được tổ chức thành các cụm tự quản gồm 25-50 thiết bị.

Xây dựng nền tảng điện toán đám mây thấp carbon

Tại nhiều trường đại học, rất nhiều ứng dụng EdTech, chấm điểm và nghiên cứu đang chạy trên đám mây, từ các máy nhỏ để lưu trữ Jupyter notebooks đến các máy chủ GPU đắt tiền cho các lớp tính toán song song. Đa số các ứng dụng này đều nằm trong khả năng xử lý của một chiếc điện thoại thông minh duy nhất.

Độ trễ và thông lượng của cụm 20 điện thoại

Các nhà nghiên cứu tại UC San Diego đang lên kế hoạch cho một cụm máy tính gồm 2.000 điện thoại để hỗ trợ các lớp học khoa học máy tính như Tính toán song song và Lập trình hệ thống. Các thí nghiệm sơ bộ cho thấy ngay cả một cụm vừa phải gồm 20 điện thoại cũng có khả năng hỗ trợ tốc độ nộp bài đỉnh cho một lớp học hơn 75 sinh viên, với độ trễ chấm điểm thấp hơn backend mặc định của AWS. Một triển khai 2.000 điện thoại sẽ có khả năng hỗ trợ hàng trăm lớp học như vậy cùng lúc.

Ngoài lợi ích trực tiếp là cung cấp sức mạnh tính toán tương đương 50 máy chủ với chi phí thấp, triển khai này cũng sẽ đóng vai trò là nền tảng thử nghiệm cho điện toán dựa trên điện thoại ở quy mô lớn. Đặc biệt, dự án sẽ điều tra độ tin cậy của phần cứng cấp độ tiêu dùng dưới tác động sử dụng liên tục. Hệ thống đầy đủ dự kiến ra mắt vào mùa thu năm 2026.