نظام تشغيل خفيف الوزن

نظام التشغيل ذو النواة الخفيفة (LWK) هو نظام يستخدم في جهاز كمبيوتر كبير يحتوي على العديد من نوى المعالجات ، ويسمى الكمبيوتر المتوازي .

يُعد نظام الحوسبة عالية الأداء (HPC) المتوازي للغاية حساسًا بشكل خاص لتكاليف نظام التشغيل . صُممت أنظمة التشغيل التقليدية متعددة الأغراض لدعم نطاق واسع من نماذج الاستخدام والمتطلبات. ولتلبية هذه الاحتياجات، يتم توفير عدد كبير من عمليات النظام، والتي غالبًا ما تكون مترابطة فيما بينها. تؤدي تكاليف الحوسبة لهذه العمليات إلى عدم القدرة على التنبؤ بوقت المعالج المتاح للتطبيق المتوازي. يُعرف نموذج البرمجة المتوازية الشائع بنموذج التوازي المتزامن الجماعي، والذي غالبًا ما يستخدم واجهة تمرير الرسائل (MPI) للتواصل. تتم عمليات التزامن عند نقاط محددة في كود التطبيق . إذا استغرق أحد المعالجات وقتًا أطول للوصول إلى تلك النقطة مقارنةً بالمعالجات الأخرى، فسيتعين على الجميع الانتظار، مما يزيد من وقت الانتهاء الإجمالي. تُعد تكاليف نظام التشغيل غير المتوقعة أحد الأسباب الرئيسية التي قد تجعل أحد المعالجات يستغرق وقتًا أطول للوصول إلى نقطة التزامن مقارنةً بالمعالجات الأخرى.

تُساهم أنظمة التشغيل ذات النواة الخفيفة المُخصصة، والمستخدمة في بعض أسرع الحواسيب في العالم، في التخفيف من هذه المشكلة. تعمل سلسلة حواسيب IBM Blue Gene العملاقة بإصدارات مختلفة من نظام التشغيل CNK . ^{[ 1 ]} بينما تعمل حواسيب Cray XT4 و Cray XT5 العملاقة بنظام Compute Node Linux ^{[ 2 ]،} في حين أن حاسوب XT3 السابق كان يعمل بنظام Catamount ذي النواة الخفيفة المبني على SUNMOS . تلتزم مختبرات سانديا الوطنية منذ ما يقرب من عقدين من الزمن بتطوير أنظمة النواة الخفيفة لأنظمة الحوسبة عالية الأداء المتطورة لديها. ^{[ 3 ]} بدأ باحثون من سانديا وجامعة نيو مكسيكو العمل على SUNMOS لجهاز Intel Paragon في أوائل التسعينيات. تطور نظام التشغيل هذا إلى Puma وCougar - الذي حقق أول تيرافلوب على ASCI Red - وCatamount على Red Storm . تواصل سانديا عملها في مجال أنظمة النواة الخفيفة من خلال مشروع بحث وتطوير جديد يُسمى kitten. ^{[ 4 ]}

على الرغم من أنه من الصعب بشكل مدهش تحديد ماهية النواة الخفيفة بالضبط، ^{[ 5 ]} إلا أن هناك بعض أهداف التصميم المشتركة:

• يستهدف هذا النظام بيئات المعالجة المتوازية الضخمة التي تتكون من آلاف المعالجات ذات الذاكرة الموزعة والشبكة المترابطة بإحكام.
• توفير الدعم اللازم للتطبيقات العلمية القابلة للتطوير والموجهة نحو الأداء.
• توفير بيئة تطوير مناسبة للتطبيقات والمكتبات المتوازية.
• التركيز على الكفاءة بدلاً من الوظائف.
• قم بزيادة كمية الموارد (مثل وحدة المعالجة المركزية والذاكرة وعرض النطاق الترددي للشبكة) المخصصة للتطبيق إلى أقصى حد.
• اسعَ إلى تقليل الوقت اللازم لإنجاز الطلب. ^{[ 6 ]}

تختلف تطبيقات LWK، لكنها جميعًا تسعى لتوفير وصولٍ مُتوقعٍ وأقصى قدرٍ ممكنٍ للتطبيقات إلى وحدة المعالجة المركزية (CPU) وموارد النظام الأخرى. ولتحقيق ذلك، تُضمَّن عادةً خوارزميات مُبسَّطة لجدولة المهام وإدارة الذاكرة. وتُحدَّد خدمات النظام (مثل البرامج الخدمية) إلى الحد الأدنى المُطلق. وتُبنى الخدمات المُتاحة، مثل تشغيل المهام، بطريقة هرمية لضمان قابلية التوسع إلى آلاف العُقد. كما تُختار وتُنفَّذ بروتوكولات الشبكات للتواصل بين عُقد النظام بعناية لضمان قابلية التوسع. ومن الأمثلة على ذلك واجهة برمجة تطبيقات برمجة الشبكات (API) الخاصة بـ Portals.

تفترض أنظمة التشغيل ذات النواة الخفيفة إمكانية الوصول إلى مجموعة صغيرة من العقد التي تعمل بأنظمة تشغيل كاملة الخدمات لتفريغ بعض الخدمات الضرورية: الوصول إلى تسجيل الدخول، وبيئات التجميع، وإرسال مهام الدفعات، وإدخال/إخراج الملفات.

من خلال حصر الخدمات على الضروري منها فقط، وتبسيط الخدمات المُقدمة، يتم تقليل العبء الزائد (أو ما يُسمى أحيانًا بالتشويش) لنظام التشغيل الخفيف. وهذا يسمح بتخصيص قدر كبير ومتوقع من دورات المعالج للتطبيق المتوازي. وبما أن التطبيق قادر على إحراز تقدم ثابت على كل معالج، فسيصل إلى نقاط التزامن الخاصة به بشكل أسرع، وفي الوضع الأمثل في الوقت نفسه. وبالتالي، يتم تقليل وقت الانتظار الضائع.

آخر الحواسيب العملاقة التي تعمل بنظام التشغيل الخفيف هي أنظمة IBM Bluegene المتبقية التي تعمل بنظام CNK . يتمثل التوجه الجديد لنظام التشغيل الخفيف في دمجه مع نظام تشغيل كامل الميزات، مثل لينكس، على عقدة متعددة النوى. تعمل أنظمة التشغيل متعددة النوى هذه بنظام تشغيل خفيف على بعض نوى وحدة المعالجة المركزية في العقدة، بينما توفر النوى الأخرى خدمات غير متوفرة في نظام التشغيل الخفيف. من خلال الجمع بين النظامين، يحصل المستخدمون على ميزات لينكس التي يحتاجونها، بالإضافة إلى السلوك الحتمي وقابلية التوسع التي يتميز بها نظام التشغيل الخفيف.