Hybrid Quantum and Classical Workload Management with Graph-based Scheduling
Dieses Paper stellt Fluence vor, ein Kubernetes-Scheduler-Plugin, das graphbasiertes Gang-Scheduling nutzt, um die einzigartigen Zwei-Warteschlangen-Orchestrierungsherausforderungen hybrider quanten-klassischer Workloads zu lösen, wodurch die Leerlaufzeiten der Worker signifikant reduziert, verschwendete Knotenressourcen eliminiert und Kosten gesenkt werden, indem eine intelligente, warteschlangenbewusste Geräteauswahl ermöglicht wird.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie führen eine riesige, hochtechnologische Küche, in der Köche (klassische Computer) komplexe Gerichte zubereiten. Normalerweise benötigen sie nur Zutaten aus dem Vorratsschrank. Aber jetzt haben Sie einen magischen, entfernten Ofen (einen Quantencomputer) hinzugefügt, der in einer anderen Stadt steht. Dieser Ofen ist fantastisch, aber er hat einen Haken: Man kann nicht einfach hineingehen und ihn benutzen. Man muss eine Anfrage an eine separate, geheimnisvolle Schlange von Menschen senden, die darauf warten, ihn zu benutzen.
Dies erzeugt ein „Zwei-Warteschlangen-Problem“. Sie haben die Schlange Ihrer Küche und die Schlange des entfernten Ofens. Das Problem? Ihre Köche wissen nicht, wie lang die Schlange vor dem Ofen ist. Sie könnten also damit beginnen, Gemüse zu schneiden und Pfannen vorzubereiten (wodurch sie Platz und Zeit in Ihrer Küche verbrauchen), während sie darauf warten, dass der Ofen frei wird. Wenn der Ofen eine Stunde lang beschäftigt ist, stehen Ihre Köche nur da, schneiden Luft und verschwenden Energie und Platz.
Die Autoren dieser Arbeit, Vanessa Sochat und Daniel Milroy, haben einen neuen Küchenmanager namens Fluence entwickelt. Denken Sie an Fluence als einen superintelligenten Chefkoch, der sich weigert, das Vorbereitungsteam mit der Arbeit beginnen zu lassen, bevor der entfernte Ofen tatsächlich bereit ist.
Der magische Trick: „Alles oder Nichts“
Auf die alte Art (unter Verwendung eines Standard-Schedulers) passierte es, wenn man nach einem Team von Köchen fragte, die zusammenarbeiten sollten, dass die Küche die Hälfte des Teams bereits arbeiten ließ, während die andere Hälfte auf den Ofen wartete. Das ist so, als würde man einen Pizzabote zur Tür schicken, noch bevor die Pizza überhaupt gebacken ist. Das verschwendet Zeit und Platz.
Fluence verwendet eine Strategie namens „Gang Scheduling“. Es behandelt das gesamte Team als eine einzige Einheit. Es sagt: „Niemand fängt an zu schneiden, niemand fängt an vorzubereiten, bis der entfernte Ofen zu 100 % bereit ist und das gesamte Team im exakt selben Moment arbeiten kann.“
In ihren Tests, als sie versuchten, Gruppen von 4 Köchen laufen zu lassen, ließ der alte Manager das Team teilweise starten, was dazu führte, dass sie etwa 133 Node-Sekunden (ein Maß für verschwendete Zeit) warteten, während sich die Warteschlange des Ofens bewegte. Fluence hielt diese verschwendete Zeit fast bei Null. Es ist der Unterschied zwischen einem Stau, bei dem Autos nur zuckend vorankommen, und einer Ampel, die rot bleibt, bis die gesamte Kreuzung frei ist, und dann alle gleichzeitig durchfahren lässt.
Die „Zwei-Warteschlangen“-Synchronisation
Das größte Problem ist, dass die Warteschlange des entfernten Ofens unvorhersehbar ist. Manchmal ist sie leer; manchmal sind es Stunden.
- Der alte Weg: Die Köche beginnen sofort mit der Arbeit. Wenn die Warteschlange des Ofens lang ist, sitzen sie stundenlang untätig herum.
- Der Fluence-W Weg: Ein Koch (der „Produzent“) geht zur Schlange des entfernten Ofens und prüft den Status. Dem Rest der Köche (den „Konsumenten“) wird gesagt, sie sollen „in den Kulissen warten“ (ein Zustand, der als gated bezeichnet wird). Sie verbrauchen keinen Küchenplatz und keinen Strom, bis der Produzent sagt: „Der Ofen ist frei!“
In ihren Experimenten sparte dieser einfache Trick eine enorme Menge an Zeit. Wenn die Warteschlange des Ofens kurz war, reduzierte Fluence die Leerlaufzeit der Köfe um etwa das Fünffache. Aber als sie dies an einem echten Quantengerät testeten, bei dem sich die Warteschlange über Stunden hinzog, sparte Fluence Zeit um Größenordnungen. In einem speziellen Test mit einer Gruppe von 8 Köchen ließ die alte Methode sie auf einem Simulator 223 Sekunden warten, während Fluence sie in nur 32 Sekunden an die Arbeit brachte. In einem anderen Fall mit einer 2,66-stündigen Warteschlange verschwendete die alte Methode 19.160 Node-Sekunden an Zeit, während die Arbeiter von Fluence erst in der allerletzten Sekunde begannen und diesen Verlust somit komplett vermieden.
Den besten Ofen auswählen
Fluence hilft Ihnen auch dabei, den richtigen entfernten Ofen auszuwählen. Es gibt verschiedene Öfen (Simulatoren und echte Quantengeräte) mit unterschiedlichen Preisen und Wartezeiten.
- Zufällige Wahl: Wenn Sie einfach einen Ofen zufällig auswählen, wählen Sie vielleicht einen extrem teuren oder einen mit einer langen Schlange.
- Fluences Wahl: Fluence kann die Speisekarte lesen und sagen: „Lass uns den günstigsten wählen“ oder „Lass uns den mit der kürzesten Schlange wählen“.
In ihren Tests, als Fluence angewiesen wurde, die günstigste Option zu wählen, senkte es die durchschnittlichen Kosten pro Durchlauf um etwa das 70-fache im Vergleich zur zufälligen Auswahl. Es half auch dabei, die Arbeit schneller zu erledigen, indem es die Öfen mit den kürzesten Warteschlangen wählte.
Was Fluence NICHT ist
Die Autoren sind sich sehr klar darüber, was Fluence nicht tut.
- Es macht den entfernten Ofen nicht magisch schneller. Es verwaltet nur die Wartezeit besser.
- Es erfordert nicht, dass Sie geheime Passwörter im Hauptbüro des Küchenmanagers speichern (was ein Sicherheitsrisiko darstellt). Stattdessen ermöglicht es dem Benutzer, die Zugangsdaten lokal zu verwalten.
- Es funktioniert nicht für jede Art von Quantenjob. Wenn Sie zum Beispiel 8 verschiedene Köfe zu 8 verschiedenen Öfen gleichzeitig schicken wollen, muss Fluence das nicht koordinieren, da diese nicht aufeinander warten. Fluence ist speziell dafür gedacht, wenn ein Team von Köchen gemeinsam an einer einzigen Aufgabe arbeitet, die von einem einzigen entfernten Ofen abhängt.
Das Fazit
Die Arbeit zeigt, dass man durch das Hinzufügen dieser „Warten-bis-bereit“-Logik zum Küchenmanager verhindern kann, teuren Küchenplatz zu verschwenden, während man auf einen entfernten Ofen wartet. Sie haben dies mithilfe von Simulationen und echten Tests mit AWS Braket und anderen Quantenanbietern bewiesen.
Sie fanden heraus, dass man ohne diese intelligente Koordination viel Zeit und Geld verschwendet. Mit Fluence bleiben die Köche frisch, die Küche bleibt effizient und das Team beginnt erst dann mit dem Kochen, wenn die gesamte Mahlzeit gleichzeitig serviert werden kann. Es ist eine Möglichkeit, die Zukunft des Quantencomputings reibungslos mit den Computern, die wir bereits haben, zu verbinden, ohne die Rezepte der Köfe ändern zu müssen.
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