Des chercheurs de l'Université de Bucarest ont récemment développé un modèle de composition pour la liaison complexe matériel-logiciel. Leur modèle, décrit dans un article prépublié sur arXiv, introduit la notion d'« organisme virtuel » (VO) qui se situe quelque part entre les agents matériels légèrement reconfigurables et abstraits, agents logiciels intelligents et adaptatifs.

La relation entre une structure et la fonction qu'elle anime est un sujet d'intérêt dans plusieurs domaines, dont l'informatique (matériel vs logiciel), biologie (organes vs fonction) et psychologie (corps vs esprit). Ciprian Paduraru et Gheorghe Stefanescu, les deux chercheurs qui ont mené la récente étude, a entrepris d'étudier la relation entre le matériel et le logiciel en informatique, notamment dans le cadre de la robotique, matériel d'IA, IoT et autres avancées technologiques récentes.

"Les actions d'un calcul séquentiel peuvent être facilement contrôlées, mais sont souvent difficiles à paralléliser, tandis qu'une distribution native, l'application parallèle est généralement difficile à contrôler, " Stefanescu a déclaré à TechXplore. " Pour trouver un cadre mixte, nous avons précédemment introduit un modèle basé sur la dualité espace-temps (rv-IS) et un langage de programmation structuré DSL (Agapia)."

Agapia est un langage spécifique au domaine (DSL) utilisé pour la programmation de systèmes interactifs, où les structures de flux de données et de flux de contrôle peuvent être librement mélangées. Son compilateur peut actuellement produire des exécutions de calcul haute performance (HPC), dans les environnements MPI ou OpenMP.

La sémantique opérationnelle d'Agapia est décrite par des structures 2D, avec une dimension pour le temps et une dimension pour l'espace. Pour faire face efficacement aux contraintes spatio-temporelles, Paduraru et Stefanescu ont conçu une nouvelle façon de définir des motifs 2-D réguliers sur des mots de forme arbitraire. Cela leur a permis d'étendre leur modèle, en lui donnant plus de dimensions pour l'espace.

"Quand j'ai présenté le modèle à Gul Agha à l'Université de l'Illinois Urbana Champaign à l'été 2015, et lui a demandé s'il pensait que c'était un bon modèle pour les agents, il a signalé une caractéristique manquante :l'adaptation, " dit Stefanescu. " Plus tard, nous avons réalisé que l'adaptation structurelle peut être facilement incluse, permettre au système de changer, à l'exécution, sa structure à une autre structure d'une classe de modèles autorisés."

Stefanescu et Paduraru espèrent qu'une fois terminé, leur modèle permettra un nouveau type de "langage d'assemblage" qui relie les applications logicielles et matérielles distribuées. L'un des principaux apports de leur étude est qu'elle introduit le concept d'« organismes virtuels, " qui ont une structure qui reflète les capacités matérielles et exécutent des fonctions de bas niveau, la mise en œuvre des exigences logicielles.

"Une classe d'organismes virtuels (OV) 2-D est définie par une combinaison de spécifications structurelles et fonctionnelles, " a déclaré Stefanescu. " Les informations structurelles sont fournies par un modèle 2-D régulier, décrivant les structures autorisées pour le placement des nœuds de calcul. Les nœuds voisins communiquent via leurs interfaces partagées. Les nœuds avec interfaces à la frontière du VO externe assurent l'interaction avec l'environnement. De plus, les nœuds de la frontière extérieure ont un rôle clé dans le contrôle de la composition spatiale des VO, permettant aux organismes virtuels de s'agréger en organismes plus grands."

Au fur et à mesure qu'une VO évolue, il pourrait changer sa structure, ajouter ou supprimer des nœuds via la reconfiguration, à condition que la nouvelle structure soit dans la même classe que son actuelle. Des opérateurs explicites de création et de suppression peuvent également être spécifiés. Les fonctionnalités de base prises en charge par une classe spécifique de VO sont mises en œuvre par le réseau de nœuds informatiques de la VO. Ceux-ci incluent les fonctions prises en charge par les nœuds et la communication activée par la structure du VO.

"Un programme de gestion contrôle quelles fonctions sont exécutées, où et comment ils interfèrent, " a expliqué Stefanescu. " Parmi les fonctionnalités de base prises en charge, il en existe des spéciaux dédiés à l'adaptation :Ils décident si reconfiguration, l'ajout ou la suppression de nœuds sont nécessaires, ainsi que quand et comment ils sont exécutés. Opérateurs de composition usuels, présent au sein du programme de gestion, préciser notamment comment ajouter de nouvelles fonctionnalités, ou supprimer les anciens."

Lorsque les VO sont déployées sur des systèmes physiques, plusieurs nœuds virtuels peuvent être mappés sur le même nœud physique. Cela permet une communication peer-to-peer (P2P) supplémentaire entre les nœuds du VO. Certaines fonctionnalités existantes ou nouvelles pourraient être implémentées plus efficacement en exploitant cette communication directe entre nœuds virtuels, mappé sur le même nœud physique.

"Je pense que l'un des aspects les plus importants de notre étude est de savoir comment nous connectons la structure d'un système et son côté fonctionnel, " Paduraru a déclaré à TechXplore. " Cela peut être appliqué à l'avenir pour de nombreuses catégories de problèmes, à la fois pour ceux qui ont besoin d'interconnexion d'agents physiques (par exemple, des robots qui travaillent ensemble pour créer un chemin), et les agents logiciels (par exemple, la connexion de logiciels sur le cloud)."

Dans leur papier, Paduraru et Stefanescu ont spécifiquement illustré leurs idées en utilisant trois exemples d'OV pour la gestion des flux :un organisme collecteur d'arbres, un organisme cellulaire nourricier et un organisme constitué d'un ensemble d'organismes cellulaires nourriciers connectés. Ils ont ensuite utilisé un simulateur pour les organismes collecteurs d'arbres (TC) afin d'évaluer les avantages de la reconfiguration.

Leurs résultats suggèrent que dans des environnements en évolution dynamique, les structures reconfigurables sont plus efficaces que les structures fixes. Les chercheurs ont également démontré comment leur langage DSL, Agapia, pourrait être utilisé pour obtenir des implémentations rapides dans les simulations VO.

« Nous prévoyons maintenant d'investir davantage dans le soutien à la programmation de tels modèles, créer plus d'environnements de test prêts à l'emploi, combiner différentes techniques telles que l'apprentissage par renforcement pour créer des politiques d'optimisation sans effort humain, et enfin déployer les organismes virtuels dans les applications du monde réel, " dit Paduraru.

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