Humanidades
Geometria algébrica oferece nova solução para ineficiência energética em data centers
O ritmo frenético de compartilhamento, armazenamento, proteção e fornecimento de dados tem um preço frenético: consumo de energia. Para combater isso, os matemáticos da Virginia Tech estão alavancando a geometria algébrica para atingir...
Por
Kelly Izlar, Virginia Tech - 24/12/2024
Os data storage centers estão impulsionando o uso de energia e ameaçando as metas climáticas. Matemáticos da Virginia Tech estão usando estruturas geométricas para desenvolver uma maneira mais inteligente de armazenar e recuperar dados. Crédito: Kathy Acosta para a Virginia Tech
O ritmo frenético de compartilhamento, armazenamento, proteção e fornecimento de dados tem um preço frenético: consumo de energia. Para combater isso, os matemáticos da Virginia Tech estão alavancando a geometria algébrica para atingir as ineficiências dos data centers.
"Nós, como indivíduos, geramos toneladas de dados o tempo todo, sem mencionar o que as grandes empresas estão produzindo", disse Gretchen Matthews, professora de matemática e diretora do nó do sudoeste da Virgínia da Commonwealth Cyber Initiative. "Fazer backup desses dados pode significar replicar e armazenar duas ou três vezes mais informações se não considerarmos alternativas inteligentes."
Em vez de replicação de dados que consome muita energia, Matthews e Hiram Lopez, professor assistente de matemática, exploraram o uso de certas estruturas algébricas para quebrar as informações em pedaços e espalhá-las entre servidores próximos uns dos outros. Quando um servidor cai, o algoritmo pode sondar os servidores vizinhos até recuperar os dados perdidos .
Os matemáticos sabem desde a década de 1960 que polinômios podem ser usados para armazenar informações. Mas na última década, pesquisadores descobriram como construir polinômios especiais que podem armazenar dados em configurações convenientes para aplicações como recuperação local de informações perdidas.
"Acontece que há algumas estruturas matemáticas bonitas que foram desenvolvidas ao longo dos anos e que podem fornecer uma maneira melhor de armazenar dados e atender a solicitações adicionais", disse Matthews.
A apresentação de um novo método para armazenar e disponibilizar dados foi destaque em um artigo de revisão convidado no IEEE BITS .
O trabalho de Matthews e Lopez acontece em um momento em que a demanda por eletricidade está aumentando em todo o país: os planejadores da rede elétrica preveem que o pico de demanda aumentará em 38 gigawatts até 2028. O aumento previsto se deve em grande parte à construção de novos data centers, muitos dos quais estão em construção ou sendo planejados na Virgínia.
Além de focar nas ineficiências na forma como os farms de servidores armazenam dados, o método também aborda o uso de energia associado à forma como os algoritmos do data center buscam as informações solicitadas.
"Todas essas estruturas estão ligadas ao mundo físico e estão sujeitas ao espaço e ao tempo", disse Lopez. "É preciso energia para encontrar e recuperar informações."
Se muitas pessoas tentarem acessar as mesmas informações ao mesmo tempo, o sistema falhará e resultará no que é coloquialmente chamado de "quebrar a internet". Quando uma selfie ou um vídeo se torna viral, cada solicitação para ver ou compartilhar o conteúdo envia um ping para alguns dos servidores que armazenam os backups. Em algum momento, não há cópias disponíveis para serem visualizadas — e o servidor trava.
A técnica de Matthews e Lopez, que usa um código de correção de erros, melhora o acesso e o armazenamento de dados de duas maneiras principais:
- Os servidores não precisam armazenar cópias completas de nenhuma informação, o que significa que agora eles têm mais espaço de armazenamento.
- Durante uma falha do servidor ou apagamento de dados, o algoritmo não precisa gastar energia pesquisando em toda a rede para recuperar as informações perdidas — ele só precisa ver o que os servidores vizinhos têm armazenado .
Em um projeto de pesquisa e publicação subsequente para Designs, Codes and Cryptography , Matthews e colaboradores observaram que a estrutura subjacente de uma classe particularmente famosa de códigos de correção de erros, chamados códigos Reed Muller, permite a recuperação de informações ausentes naturalmente.
Esse tipo de aplicação demonstra o quão profunda a matemática pode ser relevante e impactante para questões que nossa sociedade enfrenta, não apenas aqui na comunidade, mas como nação e como comunidade global, disse Matthews.
"Melhorar os sistemas e processos que já temos em vigor pode nos ajudar a atingir nossas metas de crescimento sustentável", disse Matthews.
Mais informações: Kathryn Haymaker et al, Mathematical LoRE: Recuperação local de apagamentos usando polinômios, curvas, superfícies e elevações, IEEE BITS the Information Theory Magazine (2024). DOI: 10.1109/MBITS.2024.3359988
Kathryn Haymaker et al, Códigos hierárquicos algébricos recuperáveis localmente com recuperação de subespaço afim aninhado, Designs, Codes and Cryptography (2024). DOI: 10.1007/s10623-024-01510-x
