Математики РУДН с помощью марковских цепей помогли улучшить эффективность работы дата-центров

Математики РУДН с помощью марковских цепей помогли улучшить эффективность работы дата-центров

Математики из РУДН создали модель максимально эффективной работы дата-центров. В ее основу положена нетривиальная марковская цепь.

Математики из РУДН создали модель максимально эффективной работы дата-центров. В ее основу положена нетривиальная марковская цепь. Помимо очевидных практических применений результатов для организации работы серверов и дата-центров, теоретический аппарат будет полезен в теории массового обслуживания, а также для работы с большими данными и нейросетями. Исследование опубликовано в журнале Mathematics.

Дата-центр представляет собой систему серверов, задача которых – оперативно предоставлять вычислительные ресурсы и место на диске по запросу пользователей. Чем выше нагрузка, тем сильнее греется оборудование. В случае перегрева серверы могут временно прекращать работу. Уровень температуры, который соответствует точке перегрева, называют первым критическим уровнем. Второй – это уровень, до которого должна упасть температура сервера, чтобы он возобновил (хотя бы частично) работу.

Эти уровни отличаются. Например, если каждый пользователь нагружает сервер так, что температура его процессора вырастает на 0,1 градуса, а первый критический уровень составляет 100 градусов, то второй критический уровень нужно выставлять не выше 99,9 градуса. Если поставить выше, то первый же запрос пользователя снова перегреет сервер. При этом два критических уровня должны располагаться достаточно близко друг к другу – если их разница велика, то мощности сервера не будут использоваться полностью. Необходимо настроить эти уровни так, чтобы серверы дата-центра не выключались постоянно из-за перегрева, и при этом работали с полной загрузкой.

Математики из РУДН Ольга и Александр Дудины смогли найти решение задачи оптимизации, которое позволяет добиться, чтобы серверы работали на полную мощность и при этом не перегревались. Условия ее выглядит так: в зависимости от случайного процесса, имитирующего поток пользователей, расставить два критических уровня так, чтобы не допустить перегрева, но при этом вычислительные мощности использовались бы на максимум. При этом допускается частичная неработоспособность, то есть, если второй критический уровень по температуре превышен, часть запросов от пользователей отвергается.

Математики РУДН решили возникающие вероятностные уравнения для разных значений критических уровней. В качестве случайного процесса, моделирующего приход пользователей, математики РУДН использовали марковскую цепь. Простейший пример такой цепи: представим случайное блуждание точки по прямой. Каждую секунду подбрасывается монетка: если выпадает орел, то точка перемещается на 1 см вперед, если решка – на один сантиметр назад. В таком процессе время дискретно, то есть изменения происходят раз в секунду, а положение точки в будущем зависит только от ее текущего положения и результата подбрасывания монетки.

Чтобы проверить эффективность своего метода, математики РУДН провели численный эксперимент, в котором моделировалось поведение сервера. Его результаты оценивались с помощью показателя E, критерия качества, определяющего убытки  за отказ пользователю в обслуживании и перегрев оборудования в единицу времени. Оказалось, что новый метод позволяет более чем в десять раз – с 0,31 до 0,03 – снизить потери моделируемого сервера, существенно повысив эффективность работы дата-центра.

Кроме того, марковская цепь, которая возникла в работе математиков, обладает рядом интересных свойств. Помимо применения в ИТ, их модель будет полезна в теории очередей. Эта теория необходима для решения задача массового обслуживания, работе с большими данными и с нейросетями.

Статья:
Optimization of Queueing Model with Server Heating and Cooling.
Mathematics, 2019, 7(9), 768.
https://doi.org/10.3390/math7090768
Научное направление: математика
Российский университет дружбы народов (RUDN University)

Новости
Все новости
Наука
26 октября
Команда ученых, в которую входит исследователь из РУДН, получила главную награду выставки «Золотая осень»

Коллектив ученых, которым руководит академик РАН Харон Амерханов, получил золотую медаль XXVIII Российской агропромышленной выставки «Золотая осень — 2026». Награда присуждена за разработку и внедрение ферментированных комбикормов из растительных отходов АПК и их использование в рационах сельскохозяйственных животных. Работа отмечена в конкурсе «За достижение высоких показателей в развитии племенного и товарного животноводства» по направлению «Научное обеспечение отраслей животноводства».

Наука
20 октября
«Небольшие биологические фабрики»: ученый РУДН Никита Митькин — о первых результатах исследования по «настройке» личинок на переработку разных видов отходов

Личинки мухи «чёрная львинка» в мире все чаще используются для утилизации отходов. Ученые института экологии РУДН поставили перед собой амбициозную задачу: понять, как тот или иной набор микроорганизмов в кишечнике личинок влияет на эффективность переработки разных видов отходов и как меняется состав микробиома в зависимости от условий питания. Никита Митькин — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник института экологии РУДН, рассказал о первых результатах этого трехлетнего исследования. В частности, ученые доказали, что набор микроорганизмов микробиома способен перестраиваться. Теперь предстоит установить, какие именно изменения являются функционально полезными и можно ли воспроизвести их целенаправленно, «запрограммировав» личинок чёрной львинки на переработку определенного вида сырья.

Наука
20 октября
В РУДН разрабатывают прототип водородного источника электропитания

Коллектив института инженерных инновационных технологий РУДН под руководством старшего научного сотрудника Михаила Юрьевича Задорожного получил грант университета на разработку и исследование прототипа металлогидридной системы для аккумулирования энергии. Проект поддержан в рамках конкурса 2026 года на выполнение НИР/НИОКР научными коллективами под руководством молодых учёных.