CAPE: Революционная архитектура для периферийных вычислений

Проект CAPE предлагает инновационный подход к созданию компьютерной архитектуры, ориентированной на эффективное взаимодействие между периферийными устройствами и облаком (Edge-Cloud). Развитие автономных систем, управляемых искусственным интеллектом, требует наличия мощной локальной инфраструктуры, способной поддерживать контекст устройств, а также их индивидуальные и общие состояния. Это позволяет устройствам эффективно работать в федерации, достигая как индивидуальных, так и общих целей.

Для обеспечения устойчивого масштабирования такая инфраструктура должна предоставляться как услуга и базироваться на компонуемых аппаратных платформах. Вычислительные мощности, память, хранилища и ускорители должны динамически конфигурироваться для максимальной утилизации, минимизации отходов и адаптации к локальным потребностям. Цель — достичь производительности облачного уровня за счет децентрализованного, гранулированного развертывания.

EU-funded CAPE (European Open Compute Architecture for Powerful Edge) решает эту задачу, представляя периферийные микро-дата-центры как новый, компонуемый строительный блок в континууме Edge-Cloud. Проект объединяет открытое аппаратное обеспечение, открытое программное обеспечение и открытые стандарты для создания гибких, эффективных и суверенных периферийных вычислений по всей Европе.

Аппаратные платформы нового поколения

CAPE переосмысливает периферийные серверы, превращая их в пулы динамически компонуемых ресурсов, а не в системы с фиксированной функциональностью. Платформа разработана как набор автономных, гранулированных периферийных микро-дата-центров, способных работать независимо, но при этом объединяться с соседними узлами для формирования распределенной сети Edge-Cloud. Вычислительные ресурсы, память, хранилища и ускорители могут гибко комбинироваться в соответствии с требованиями рабочих нагрузок, что значительно повышает утилизацию и снижает избыточное резервирование.

В рамках проекта разработаны две взаимодополняющие аппаратные платформы на базе технологии COM-HPC: встраиваемый высокопроизводительный сервер (eHPS) и встраиваемый микро-дата-центр (EMDC). Эти платформы поддерживают гетерогенные вычислительные узлы и предназначены для широкого спектра периферийных сценариев, от промышленных локальных развертываний до телекоммуникационных сред.

Компонуемость аппаратного обеспечения обеспечивается коммутацией PCIe в сочетании с Compute Express Link (CXL). CXL предоставляет кэш-когерентные соединения между процессорами, ускорителями и общими пулами памяти. Это позволяет динамически распределять ресурсы во время выполнения, обеспечивая адаптацию каждого автономного периферийного блока к изменяющимся рабочим нагрузкам ИИ и максимальную утилизацию оборудования.

Энергоэффективность и программное обеспечение

Энергоэффективность является ключевым аспектом дизайна. Максимально используя аппаратные ресурсы и сокращая количество неиспользуемых компонентов в распределенных системах, CAPE минимизирует избыточное резервирование и ненужное потребление энергии. Пассивное охлаждение, рекуперация отработанного тепла и интеграция на уровне зданий дополнительно снижают экологический след встраиваемой периферийной инфраструктуры.

Для полного использования компонуемости аппаратного обеспечения CAPE разрабатывает стек программного обеспечения с открытым исходным кодом. Он скрывает сложность инфраструктуры, сохраняя при этом контроль и прозрачность. Стек сочетает в себе оркестрацию нескольких кластеров на базе Kubernetes с автоматизацией на базе ИИ. Оркестрация обеспечивает локальную автономию, позволяя каждому периферийному узлу работать независимо, участвуя при этом в федеративном управлении распределенной инфраструктурой.

Центральным нововведением является Infrastructure from Code (IfC), которая позволяет создавать определения инфраструктуры непосредственно из кода приложения, сокращая усилия разработчиков по сравнению с традиционными подходами Infrastructure as Code. Приложения могут беспрепятственно развертываться на периферийных серверах CAPE и во внешних облачных средах, обеспечивая эластичное масштабирование и миграцию рабочих нагрузок.

Открытость и стандартизация

CAPE полностью привержен открытым стандартам и разработке с открытым исходным кодом. Используя такие технологии, как COM-HPC и CXL, и активно участвуя в европейских и международных инициативах, проект избегает проприетарной зависимости и способствует созданию устойчивой экосистемы для периферийных вычислений. Эта открытость напрямую поддерживает цели Европы по цифровому суверенитету в континууме Edge-Cloud через Open Federated Edge-Cloud Infrastructure Alliance.

Практические примеры использования

Проект CAPE подтверждает свою архитектуру на трех репрезентативных примерах. В умных энергосетях периферийные серверы обеспечивают мониторинг в реальном времени и обнаружение аномалий на подстанциях. Для глубокого обучения на периферии гетерогенные ускорители и пулы памяти на базе CXL поддерживают эффективное выполнение ИИ-моделей при строгих ограничениях по энергопотреблению. В обработке данных спутниковой полезной нагрузки CAPE обеспечивает аналитику почти в реальном времени за счет динамической композиции ресурсов между периферией и облаком.

Перспективы

CAPE демонстрирует, как компонуемость, открытые стандарты и интеллектуальная оркестрация могут трансформировать периферийные вычисления в гибкую и энергоэффективную основу для будущих цифровых услуг. Тесная интеграция аппаратных и программных инноваций позволяет проекту заложить основу для масштабируемой, суверенной периферийной инфраструктуры в Европе.