Forskare vid universitetet i Bukarest har nyligen utvecklat en sammansättningsmodell för komplex bindning av hårdvara och mjukvara. Deras modell, beskrivs i ett papper som för publicerats på arXiv, introducerar begreppet en "virtuell organism" (VO) som ligger någonstans mellan lätt omkonfigurerbara hårdvaruagenter och abstrakt, intelligenta och adaptiva programvaruagenter.

Relationen mellan en struktur och den funktion den driver är ett ämne av intresse inom flera områden, inklusive datavetenskap (hårdvara vs mjukvara), biologi (organ vs funktion) och psykologi (kropp vs sinne). Ciprian Paduraru och Gheorghe Stefanescu, de två forskarna som genomförde den senaste studien, för att undersöka förhållandet mellan hårdvara och mjukvara inom datavetenskap, särskilt i samband med robotteknik, AI-hårdvara, IoT och andra senaste tekniska framsteg.

"Aktioner för en sekventiell beräkning kan enkelt kontrolleras, men är ofta svåra att parallellisera, medan en inhemsk distribuerad, parallell applicering är vanligtvis svår att kontrollera, " Stefanescu sa till TechXplore. "För att hitta en robust, blandad miljö, vi introducerade tidigare en rum-tidsdualitetsbaserad modell (rv-IS) och ett DSL-strukturerat programmeringsspråk (Agapia)."

Agapia är ett domänspecifikt språk (DSL) som används för att programmera interaktiva system, där dataflödes- och kontrollflödesstrukturer fritt kan blandas. Dess kompilator kan för närvarande producera högpresterande beräkningskörningar (HPC), inom antingen MPI- eller OpenMP-miljöer.

Agapias operativa semantik beskrivs av 2D-strukturer, med en dimension för tid och en dimension för rum. För att effektivt hantera rum-tidsbegränsningar, Paduraru och Stefanescu utarbetade ett nytt sätt att definiera vanliga 2D-mönster över godtyckliga formord. Detta gjorde det möjligt för dem att utöka sin modell, ger den fler dimensioner för utrymme.

"När jag presenterade modellen för Gul Agha vid University of Illinois Urbana Champaign sommaren 2015, och frågade honom om han tyckte att det var en bra modell för agenter, han påpekade en saknad egenskap:anpassning, " sa Stefanescu. "Senare, vi insåg att strukturell anpassning lätt kan inkluderas, låta systemet förändras, vid körning, dess struktur till en annan struktur från en klass av tillåtna mönster."

Stefanescu och Paduraru hoppas att när de är klara, deras modell kommer att möjliggöra en ny typ av "sammansättningsspråk" som överbryggar distribuerade mjukvaru- och hårdvaruapplikationer. Ett av de viktigaste bidragen från deras studie är att den introducerar begreppet "virtuella organismer, " som har en struktur som återspeglar hårdvarukapacitet och kör lågnivåfunktioner, implementera programvarukraven.

"En klass av virtuella 2D-organismer (VO) definieras av en kombination av strukturella och funktionella specifikationer, " sa Stefanescu. "Den strukturella informationen tillhandahålls av ett vanligt 2D-mönster, beskriver de tillåtna strukturerna för placeringen av beräkningsnoder. De närliggande noderna kommunicerar via sina delade gränssnitt. Noderna med gränssnitt på den yttre VO:s gräns säkerställer interaktionen med omgivningen. Dessutom, noderna på den yttre gränsen har en nyckelroll i att kontrollera den rumsliga sammansättningen av VO, tillåter de virtuella organismerna att aggregera till större organismer."

När en VO utvecklas, det kan ändra sin struktur, lägga till eller ta bort noder via omkonfigurering, förutsatt att den nya strukturen är i samma klass som den nuvarande. Explicita skapande och raderingsoperatorer kan också anges. De grundläggande funktionerna som stöds av en specifik klass av VO implementeras av VO:s nätverk av datornoder. Dessa inkluderar funktioner som stöds av noderna och kommunikationen som möjliggörs av VO:s struktur.

"Ett hanteringsprogram kontrollerar vilka funktioner som exekveras, var och hur de stör, " Stefanescu förklarade. "Bland de grundläggande funktionerna som stöds, det finns speciella dedikerade till anpassning:De bestämmer om omkonfigurering, tillägg eller radering av noder är nödvändiga, samt när och hur de utförs. Vanliga kompositionsoperatörer, närvarande i förvaltningsprogrammet, specificera särskilt hur man lägger till nya funktioner, eller ta bort gamla."

När VO:er distribueras på fysiska system, fler virtuella noder kan mappas på samma fysiska nod. Detta möjliggör ytterligare peer-to-peer-kommunikation (P2P) mellan VO:s noder. Vissa befintliga eller nya funktioner skulle kunna implementeras mer effektivt genom att utnyttja denna direkta kommunikation mellan virtuella noder, mappad på samma fysiska nod.

"Jag tror att en av de viktigaste aspekterna av vår studie är hur vi kopplar samman strukturen av ett system och dess funktionella sida, Paduraru sa till TechXplore. "Detta kan användas i framtiden för många kategorier av problem, både för dem som behöver sammankoppling av fysiska agenter (t.ex. robotar som arbetar tillsammans för att skapa en väg), och mjukvaruagenter (t.ex. att ansluta delar av programvara i molnet)."

I deras tidning, Paduraru och Stefanescu illustrerade specifikt sina idéer med hjälp av tre exempel på VO:er för flödeshantering:en trädsamlarorganism, en matande cellorganism och en organism bestående av en samling sammankopplade matande cellorganismer. De använde sedan en simulator för trädsamlarorganismer (TC) för att utvärdera fördelarna med omkonfigurering.

Deras resultat tyder på att i dynamiskt föränderliga miljöer, omkonfigurerbara strukturer är mer effektiva än fasta strukturer. Forskarna visade också hur deras DSL-språk, Agapia, skulle kunna användas för att uppnå snabba implementeringar i VO-simuleringar.

"Vi planerar nu att investera mer i stöd för programmering av sådana modeller, skapa fler testmiljöer, kombinera olika tekniker som förstärkningsinlärning för att skapa optimeringspolicyer utan mänsklig ansträngning, och slutligen distribuera de virtuella organismerna i den verkliga världens applikationer, " sa Paduraru.

© 2019 Science X Network