Compute4PUNCH ও Storage4PUNCH: কণা, জ্যোতির্বিদ্যা ও নিউক্লিয়ার পদার্থবিদ্যার জন্য ফেডারেটেড অবকাঠামো

1. ভূমিকা

PUNCH4NFDI (জাতীয় গবেষণা তথ্য অবকাঠামোর জন্য কণা, মহাবিশ্ব, নিউক্লিয়াস ও হ্যাড্রন) কনসোর্টিয়াম, যা জার্মান গবেষণা ফাউন্ডেশন (DFG) দ্বারা অর্থায়িত, জার্মানির কণা, জ্যোতির্বিদ্যা, জ্যোতিঃকণা, হ্যাড্রন ও নিউক্লিয়ার পদার্থবিদ্যা সম্প্রদায়ের প্রায় ৯,০০০ বিজ্ঞানীকে প্রতিনিধিত্ব করে। জাতীয় NFDI উদ্যোগের অন্তর্ভুক্ত, এর প্রধান লক্ষ্য হল একটি ফেডারেটেড ও FAIR (খুঁজে পাওয়া যায়, প্রবেশযোগ্য, আন্তঃপরিচালনযোগ্য, পুনর্ব্যবহারযোগ্য) বিজ্ঞান তথ্য প্ল্যাটফর্ম প্রতিষ্ঠা করা। এই প্ল্যাটফর্মের লক্ষ্য এর সদস্য প্রতিষ্ঠানগুলির দ্বারা প্রদত্ত বৈচিত্র্যময় ও ভিন্নধর্মী কম্পিউট ও স্টোরেজ সম্পদে নিরবচ্ছিন্ন প্রবেশাধিকার প্রদান করা, যা জটিল অ্যালগরিদম সহ সূচকীয়ভাবে বর্ধিত তথ্যের পরিমাণ বিশ্লেষণের সাধারণ চ্যালেঞ্জ মোকাবিলা করে। এই নথিটি এই সম্পদগুলিকে ফেডারেটেড করার জন্য উন্নত Compute4PUNCH এবং Storage4PUNCH ধারণাগুলির বিস্তারিত বিবরণ দেয়।

2. ফেডারেটেড ভিন্নধর্মী কম্পিউট অবকাঠামো – Compute4PUNCH

Compute4PUNCH জার্মানি জুড়ে বিতরণকৃত উচ্চ-থ্রুপুট কম্পিউট (HTC), উচ্চ-কর্মদক্ষতা কম্পিউট (HPC) এবং ক্লাউড সম্পদের বিস্তৃত পরিসরের কার্যকর ব্যবহারের চ্যালেঞ্জ মোকাবিলা করে। এই সম্পদগুলি স্থাপত্য, অপারেটিং সিস্টেম, সফটওয়্যার এবং প্রমাণীকরণে ভিন্ন, এবং ইতিমধ্যেই অন্যান্য উদ্দেশ্যে পরিচালিত হচ্ছে, যা পরিবর্তনের সুযোগ সীমিত করে।

3. ফেডারেটেড স্টোরেজ অবকাঠামো – Storage4PUNCH

Storage4PUNCH সম্প্রদায়-সরবরাহকৃত স্টোরেজ সিস্টেমগুলিকে ফেডারেটেড করার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে, যা প্রাথমিকভাবে dCache এবং XRootD প্রযুক্তির উপর ভিত্তি করে, যা উচ্চ-শক্তি পদার্থবিদ্যায় (HEP) সুপ্রতিষ্ঠিত। ফেডারেশন একটি সাধারণ নামস্থান এবং অ্যাক্সেস স্তর তৈরি করে। ধারণাটি বিদ্যমান প্রযুক্তিগুলিও মূল্যায়ন করে:

• ক্যাশিং: তথ্য অ্যাক্সেস বিলম্বতা উন্নত করতে এবং WAN ট্রাফিক কমাতে, বিশ্বব্যাপী LHC কম্পিউটিং গ্রিড (WLCG) এর মতো গ্লোবাল ডেটা গ্রিডে ব্যবহৃত ধারণার অনুরূপ।
• মেটাডেটা হ্যান্ডলিং: মেটাডেটা বৈশিষ্ট্যের ভিত্তিতে তথ্য আবিষ্কার সক্ষম করার জন্য গভীর একীকরণের লক্ষ্য, সহজ ফাইল অবস্থানের বাইরে যাওয়া।

সম্মিলিত Compute4PUNCH এবং Storage4PUNCH পরিবেশ গবেষকদের সম্পদ-চাহিদাসম্পন্ন বিশ্লেষণ কাজগুলি কার্যকর করতে সক্ষম করে যার জন্য কম্পিউট শক্তি এবং বৃহৎ ডেটাসেট উভয়ের সমন্বিত অ্যাক্সেস প্রয়োজন।

4. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক কাঠামো

COBalD/TARDIS দ্বারা সম্পদ শিডিউলিংকে একটি অপ্টিমাইজেশন সমস্যা হিসেবে মডেল করা যেতে পারে। ধরা যাক $J = \{j_1, j_2, ..., j_n\}$ HTCondor সারিতে কাজের একটি সেট, এবং $P = \{p_1, p_2, ..., p_m\}$ উপলব্ধ সম্পদের (স্থানীয় ও বাহ্যিক) পুল। প্রতিটি কাজ $j_i$ এর প্রয়োজনীয়তা $R_i$ (CPU কোর, মেমরি, GPU, সফটওয়্যার)। প্রতিটি সম্পদ $p_k$ এর ক্ষমতা $C_k$ এবং একটি খরচ ফাংশন $\text{Cost}(p_k, t)$, যা আর্থিক বা অগ্রাধিকার/ক্রেডিটের ভিত্তিতে হতে পারে।

মেটা-শিডিউলারের লক্ষ্য হল একটি ম্যাপিং $M: J \rightarrow P$ খুঁজে বের করা যা মোট খরচ বা মেকস্প্যান কমায় যখন সীমাবদ্ধতাগুলি সন্তুষ্ট হয়: $$\text{minimize } \sum_{j_i \in J} \text{Cost}(M(j_i), t)$$ $$\text{subject to } R_i \subseteq C_{M(j_i)} \text{ for all } j_i \in J.$$ COBalD হিউরিস্টিক বা মেশিন লার্নিং কৌশল প্রয়োগ করে এই গতিশীল, অনলাইন অপ্টিমাইজেশন সমস্যাটি সমাধান করে যখন কাজ এবং সম্পদ প্রাপ্যতা পরিবর্তিত হয়।

5. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও প্রোটোটাইপ কর্মদক্ষতা

প্রদত্ত উদ্ধৃতিতে নির্দিষ্ট বেঞ্চমার্ক সংখ্যা বিস্তারিত না থাকলেও, কাগজটি উপলব্ধ প্রোটোটাইপগুলিতে বৈজ্ঞানিক অ্যাপ্লিকেশনের প্রাথমিক অভিজ্ঞতার প্রতিবেদন করে। বিভিন্ন সম্প্রদায়ের অ্যাপ্লিকেশনের সফল কার্যকর স্থাপত্যকে বৈধতা দেয়। এই ধরনের ফেডারেশনের জন্য মূল কর্মদক্ষতা নির্দেশক (KPI) সাধারণত অন্তর্ভুক্ত করে:

• কাজ থ্রুপুট: ফেডারেটেড সিস্টেম জুড়ে প্রতিদিন সম্পন্ন হওয়া কাজের সংখ্যা।
• সম্পদ ব্যবহার: অবদানকৃত সম্পদ (বিশেষ করে বাহ্যিক, বিস্ফোরণযোগ্য) সক্রিয়ভাবে ব্যবহৃত সময়ের শতাংশ, COBalD গতিশীল সরবরাহের দক্ষতা প্রদর্শন করে।
• তথ্য স্থানান্তর দক্ষতা: Storage4PUNCH ফেডারেশন থেকে তথ্য অ্যাক্সেস করা কাজগুলির জন্য বিলম্ব এবং ব্যান্ডউইথ, I/O-ভারী বিশ্লেষণের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
• ব্যবহারকারী সন্তুষ্টি: কাজ জমা দেওয়ার জটিলতা এবং অপেক্ষার সময় হ্রাস, ব্যবহারকারী জরিপের মাধ্যমে পরিমাপ করা।

প্রোটোটাইপ পর্যায়টি AAI একীকরণ, HTCondor ওভারলের দৃঢ়তা এবং হাজার হাজার সমবর্তী কাজে সফটওয়্যার সরবরাহের জন্য CVMFS-এর স্কেলযোগ্যতা পরীক্ষার জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

6. বিশ্লেষণ কাঠামো: একটি ব্যবহারিক দৃশ্যকল্প

দৃশ্যকল্প: একজন নিউক্লিয়ার পদার্থবিদ গবেষকের একটি জটিল মন্টে কার্লো সিমুলেশন চেইন ব্যবহার করে ১ পেটাবাইট ডিটেক্টর ডেটা প্রক্রিয়া করার প্রয়োজন।

1. প্রবেশাধিকার: গবেষক তাদের প্রতিষ্ঠানিক শংসাপত্র (টোকেন-ভিত্তিক AAI এর মাধ্যমে) ব্যবহার করে PUNCH JupyterHub-এ লগ ইন করেন।
2. সফটওয়্যার: তাদের নোটবুক স্বয়ংক্রিয়ভাবে CVMFS থেকে প্রয়োজনীয় সফটওয়্যার স্ট্যাক মাউন্ট করে এবং নির্দিষ্ট সিমুলেশন লাইব্রেরি সহ একটি কন্টেইনার তৈরি করে।
3. তথ্য: নোটবুক কোড ফেডারেটেড Storage4PUNCH নামস্থান ব্যবহার করে তথ্য উল্লেখ করে (যেমন, `root://punch-federation.de/path/to/data`)। XRootD প্রোটোকল অবস্থান এবং স্থানান্তর পরিচালনা করে।
4. কম্পিউট: গবেষক HTCondor REST API-এর সাথে ইন্টারফেস করে এমন একটি Python র্যাপার এর মাধ্যমে ১০,০০০ সমান্তরাল কাজ জমা দেন। COBalD/TARDIS স্থানীয় HTCondor কর্মী এবং বিস্ফোরণ HPC ক্লাউড নোডের মিশ্রণ গতিশীলভাবে সরবরাহ করে শীর্ষ লোড পরিচালনা করার জন্য।
5. অর্কেস্ট্রেশন: HTCondor কাজের জীবনচক্র পরিচালনা করে। আউটপুট ফেডারেটেড স্টোরেজে ফিরে লেখা হয়। গবেষক JupyterHub ড্যাশবোর্ডের মাধ্যমে অগ্রগতি পর্যবেক্ষণ করেন।

এই দৃশ্যকল্পটি কাঠামোর লক্ষ্য করা নিরবচ্ছিন্ন একীকরণ প্রদর্শন করে, অবকাঠামোর জটিলতা দূর করে।

7. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও উন্নয়ন রোডম্যাপ

PUNCH4NFDI অবকাঠামো জাতীয়-স্কেল গবেষণা ফেডারেশনের জন্য একটি নকশা।

• ক্রস-কনসোর্টিয়াম ফেডারেশন: মডেলটি অন্যান্য NFDI কনসোর্টিয়ামে (যেমন, জীবন বিজ্ঞান, প্রকৌশলের জন্য) প্রসারিত হতে পারে, একটি সত্যিকারের জাতীয় গবেষণা তথ্য অবকাঠামোর মেরুদণ্ড তৈরি করতে। আন্তঃ-কনসোর্টিয়াম AAI এবং সম্পদ ভাগাভাগি চুক্তি মূল হবে।
• এজ ও কোয়ান্টাম সম্পদের একীকরণ: যেহেতু এজ কম্পিউটিং (যন্ত্র তথ্য প্রাক-প্রক্রিয়াকরণের জন্য) এবং কোয়ান্টাম কম্পিউটিং পরিপক্ক হয়, মেটা-শিডিউলার স্থাপত্যকে বিশেষায়িত সম্পদ প্রকার হিসাবে এগুলিকে অন্তর্ভুক্ত করার জন্য প্রসারিত করা যেতে পারে।
• AI/ML ওয়ার্কলোড অপ্টিমাইজেশন: শিডিউলিং অ্যালগরিদম AI/ML কাজের রানটাইমের জন্য পূর্বাভাসকারী (যেমন `Optuna` বা `Ray Tune` প্রকল্পের পদ্ধতির অনুরূপ) একীভূত করতে পারে, বিশেষ করে GPU সম্পদের জন্য, প্লেসমেন্ট আরও অপ্টিমাইজ করতে।
• উন্নত মেটাডেটা ও ডেটা লেক: মেটাডেটা ক্যাটালগের গভীর একীকরণ Storage4PUNCH কে একটি সক্রিয় ডেটা লেকে রূপান্তরিত করতে পারে, তথ্য-কেন্দ্রিক শিডিউলিং সক্ষম করতে যেখানে কম্পিউট কাজগুলি তথ্যের অবস্থানে প্রেরণ করা হয়।
• টেকসই ফোকাস: ভবিষ্যতের সংস্করণগুলি কার্বন পদচিহ্নের জন্য অপ্টিমাইজ করতে পারে, পছন্দসইভাবে কাজগুলিকে উচ্চতর নবায়নযোগ্য শক্তি মিশ্রণ সহ ডেটা সেন্টারে শিডিউল করতে পারে, `ইউরোপীয় গ্রিন ডিল` প্রকল্পের মতো প্রকল্পগুলিতে দেখা সবুজ কম্পিউটিং উদ্যোগের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ।

8. তথ্যসূত্র

1. PUNCH4NFDI Consortium. (2024). "PUNCH4NFDI White Paper." NFDI.
2. Thain, D., Tannenbaum, T., & Livny, M. (2005). "Distributed computing in practice: the Condor experience." Concurrency and Computation: Practice and Experience, 17(2-4), 323-356. https://doi.org/10.1002/cpe.938
3. Giffels, M., et al. (2022). "COBalD/TARDIS – Agile resource provisioning for HTCondor pools." Journal of Physics: Conference Series, 2438(1), 012077.
4. Blomer, J., et al. (2011). "The CERN Virtual Machine File System: A scalable, reliable, and efficient software distribution system." Journal of Physics: Conference Series, 331(5), 052004.
5. Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). "Storage Federation with XRootD and dCache." https://wlcg.web.cern.ch/
6. Wilkinson, M., et al. (2016). "The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship." Scientific Data, 3, 160018. https://doi.org/10.1038/sdata.2016.18

9. বিশ্লেষকের দৃষ্টিকোণ: মূল অন্তর্দৃষ্টি, যৌক্তিক প্রবাহ, শক্তি ও দুর্বলতা, কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি

মূল অন্তর্দৃষ্টি: PUNCH4NFDI একটি নতুন সুপারকম্পিউটার তৈরি করছে না; এটি একটি ফেডারেশন অপারেটিং সিস্টেম তৈরি করছে। এর প্রকৃত উদ্ভাবন হল ব্যবহারিক, ওভারলে-ভিত্তিক পদ্ধতি যা বিদ্যমান, আমলাতান্ত্রিক এবং ভিন্নধর্মী প্রতিষ্ঠানিক সম্পদগুলিকে একটি একক, ব্যবহারকারী-বান্ধব প্ল্যাটফর্মে মোড়ানো। এটি কাঁচা প্রযুক্তিগত অগ্রগতির চেয়ে কম এবং জাতীয় স্কেলে সামাজিক-প্রযুক্তিগত অর্কেস্ট্রেশন সম্পর্কে বেশি। এটি গবেষণা কম্পিউটিং-এ "সাধারণ সম্পদের ট্র্যাজেডি"-এর সাথে সরাসরি মোকাবিলা করে, যেখানে সম্পদগুলি সিলোড এবং কম ব্যবহার করা হয়, কম্পিউট চক্র এবং স্টোরেজ বাইটের জন্য একটি পরিচালিত বাজার তৈরি করে।

যৌক্তিক প্রবাহ: যুক্তি অত্যন্ত ব্যবহারিক। ১) ভিন্নধর্মীতাকে প্রথম শ্রেণীর নাগরিক হিসেবে গ্রহণ করুন: মানককরণ জোর করার পরিবর্তে (একটি রাজনৈতিক অচলাবস্থা), তারা HTCondor এবং কন্টেইনার দিয়ে এটি দূর করে। ২) প্রদানকারীর ঘর্ষণ কমান: COBalD/TARDIS মডেলটি প্রতিভাবান—এটি একটি পরজীবী শিডিউলার যার জন্য HPC কেন্দ্রগুলিকে তাদের স্থানীয় নীতি পরিবর্তন করতে হয় না, যা গ্রহণযোগ্য করে তোলে। ৩) ব্যবহারকারীর সরলতা সর্বাধিক করুন: JupyterHub এবং টোকেন-AAI গ্রহণের জন্য কিলার বৈশিষ্ট্য, একটি ব্রাউজার ট্যাবের পিছনে অত্যন্ত জটিল ব্যাকএন্ড লুকিয়ে রাখে। ৪) সম্প্রদায়ের বিশ্বাসের সুবিধা নিন: যুদ্ধ-পরীক্ষিত HEP সরঞ্জাম (dCache, XRootD, CVMFS) এর উপর নির্মাণ করা কেবল প্রযুক্তিগতভাবে সঠিক নয়; এটি তাৎক্ষণিক বিশ্বাসযোগ্যতা প্রদান করে এবং কার্যকরী ঝুঁকি হ্রাস করে।

শক্তি ও দুর্বলতা: শক্তি হল এর মোতায়েনযোগ্যতা। এটি একটি গবেষণা পত্রের কল্পনা নয়; এটি পরিপক্ক, ওপেন-সোর্স উপাদান ব্যবহার করে একটি কার্যকরী প্রোটোটাইপ। মেটাডেটা সহ সম্পূর্ণরূপে বাস্তবায়িত হলে ফেডারেটেড স্টোরেজ দৃষ্টিভঙ্গি রূপান্তরকারী হতে পারে। যাইহোক, দুর্বলতাগুলি সীমগুলিতে রয়েছে। মেটা-শিডিউলার স্তরের কর্মদক্ষতা ওভারহেড এবং বিস্তৃত-এলাকার তথ্য চলাচল দৃঢ়ভাবে সংযুক্ত HPC অ্যাপ্লিকেশনের জন্য সুবিধাগুলি নষ্ট করতে পারে। মডেলটি স্বভাবতই উচ্চ-থ্রুপুট, আলগাভাবে সংযুক্ত ওয়ার্কলোডের জন্য সর্বোত্তম। এছাড়াও একটি শাসন সময়-বোমা রয়েছে: চাহিদা ফেডারেটেড সরবরাহকে ছাড়িয়ে গেলে কে কাজগুলিকে অগ্রাধিকার দেয়? কাগজটি প্রতিষ্ঠানগুলির মধ্যে ন্যায্য-শেয়ার অ্যালগরিদম এবং খরচ নির্ধারণের অনিবার্য রাজনৈতিক লড়াইগুলিকে উপেক্ষা করে। অবশেষে, যদিও তারা "ক্লাউড" সম্পদের কথা উল্লেখ করে, বাস্তব অর্থ দিয়ে বাণিজ্যিক ক্লাউডে (AWS, Google Cloud) বিস্ফোরণের অর্থনৈতিক মডেল, কেবল ক্রেডিট নয়, অনাবিষ্কৃত অঞ্চল যা বাজেটের বিপদে পূর্ণ।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: ১) অন্যান্য কনসোর্টিয়ামের জন্য: এই নকশাটি অবিলম্বে অনুলিপি করুন। স্থাপত্য প্যাটার্নটি পুনরায় ব্যবহারযোগ্য। AAI এবং একটি সহজ কাজ গেটওয়ে দিয়ে শুরু করুন। ২) PUNCH4NFDI-এর নিজের জন্য: কঠিন কর্মদক্ষতা তথ্য প্রকাশ করুন। বিশ্বাস গড়ে তুলতে তাদের অবশ্যই ফেডারেশন বনাম নেটিভ অ্যাক্সেসের ওভারহেড খরচ স্বচ্ছভাবে দেখাতে হবে। ৩) সংঘাতের আগেই এখনই একটি সূক্ষ্ম, বহুমাত্রিক ন্যায্য-শেয়ার নীতি তৈরি করুন। পদার্থবিদদের নয়, আইনজীবী এবং হিসাবরক্ষকদের জড়িত করুন। ৪) ওয়ার্কফ্লো ম্যানেজার (Nextflow, Snakemake) এর সাথে একীকরণ অন্বেষণ করুন। এগুলি পুনরুৎপাদনযোগ্য বিজ্ঞানের জন্য ডি ফ্যাক্টো স্ট্যান্ডার্ড হয়ে উঠছে; নেটিভ ইন্টিগ্রেশন একটি বিশাল জয় হবে। ৫) একটি "ফেডারেশন পরিপক্কতা মডেল" বিবেচনা করুন সম্পদ প্রদানকারীদের ধীরে ধীরে অনবোর্ড করতে, সহজ ব্যাচ অ্যাক্সেস থেকে সম্পূর্ণ তথ্য/কম্পিউট সহ-শিডিউলিং পর্যন্ত। এটি কেবল অবকাঠামো নয়; এটি জাতীয় গবেষণা ক্ষমতা সংগঠিত করার একটি নতুন মডেল। এর সাফল্য শাসন এবং সম্প্রদায়ের সমর্থনের উপর নির্ভর করবে যেমন এর কোডের সৌন্দর্যের উপর।