Control based design of computing systems

In the domain of computing systems, two trends nowadays appear evident. One is a steadily increasing complexity of architectures and applications, the other is an attempt to make systems as "self adaptive" as possible, in order to have them maintain certain levels of performance and/or reliability in the presence of varying environmental conditions. The two trends above are of course intertwined. More powerful hardware leads designers to devise more advanced functionalities, which in turn increases the overall complexity. On the other hand, more complex systems can be in a larger number of conditions, and present to the outside world a more articulated interface, so that making them capable of adapt themselves is more and more difficult. In the last years, much interest can also be observed for the use of control-related methods to control computing systems, in a view to cast the mentioned quest for adaptation in the natural framework of feedback control. This work attempts in some sense to start synchronising all the developments above, by fostering the use of the systems and control theory also in the design of computing systems. In the author's opinion this is a viable means to to counteract a dangerous tendency, i.e. - crudely speaking - that toward a "computer community" designing more and more complex objects without any notion of dynamics and control, and a "control community" attempting to model said systems with correspondingly more and more complex formalisms. To break such destabilising a feedback loop, the remark is initially made - to the best of the author's knowledge for the first time in so explicit a manner - that the main problem is that, when a feedback loop is closed around a computing system that is already fully designed and functional, the controlled object includes some "core physical phenomenon", that normally is quite simple, plus a number of programming superstructures that were designed and introduced with little if any knowledge of dynamics. As a consequence of that, the suggestion is here made and motivated to use the systems theory as a common language and design framework, aiming specifically at concentrating the modelling effort on the mentioned core phenomenon, so that anything to control it emerge naturally as the implementation of a controller model in the system-theoretical sense. With this innovative approach, it is shown that not only many relevant computing system functionalities can be viewed as feedback controllers in nature, but also that adopting that point of view allows for often surprisingly simple solutions, that can be implemented into existing systems and also provide innovative guidelines to streamline the design of future ones.

Nell'ambito dei "computing system" (traducibile con "sistemi di calcolo" per quanto la semantica dell'originale inglese sia più ampia) vi sono oggigiorno due tendenze evidenti. Da una parte vi è un evidente aumento della complessità di architetture e applicazioni, dall'altra un altrettanto evidente desiderio di rendere i sistemi adattivi, perché essi mantengano le loro prestazioni e la loro affidabilità a livelli specificati anche a fronte di variazioni nell'ambiente in cui operano. Queste due tendenze sono chiaramente collegate l'una all'altra. Da un lato la disponibilità di hardware sempre più potente induce i progettisti di sistemi ad introdurvi sempre nuove funzionalità, il che a sua volta aumenta il livello di complessità del tutto. Dall'altro lato, sistemi più complessi possono venirsi a trovare in un maggior numero di diversi stati e presentano al mondo esterno interfacce più complicate, risultando quindi più difficili da rendere capaci di "adattarsi". Negli ultimi anni si osserva anche un notevole interesse verso l'introduzione nel settore di metodi basati sulla teoria del controllo, nel tentativo di rispondere alla suddetta richiesta di adattatività formulando il problema in un contesto che indubbiamente gli è congeniale. Questo lavoro tenta in un certo senso d'iniziare a "sincronizzare" la ricerca appena descritta, favorendo l'uso della teoria dei sistemi e del controllo anche nel progetto dei computing system. Secondo l'autrice questo è un possibile modo per contrastare una tendenza rischiosa, ovvero - banalizzanodo un poco - quella di una comunità "informatica" che progetta oggetti sempre più complessi senz'alcuna nozione di dinamica e controllo, mentre una comunità "del controllo" tenta di costruire per quei sistemi dei modelli con formalismi sempre più complessi. Per spezzare quest'anello di retreoazione il cui effetto è indubbiamente destabilizzante, qui si osserva anzitutto - e per quando l'autrice ne sa, per la prima volta in modo così esplicito - che il problema principale è che quando si chiude un anello di controllo attorno a un computing system già completamente progettato e funzionale, l'oggetto del controllo viene a essere composto da un quelche "fenomeno fisico di base", che di solito è piuttosto semplice, più una congerie di sovrastrutture programmative introdotte con scarsa (per non dire nulla) conoscenza del concetto di dinamica. Di conseguenza, qui si suggerisce - motivando la proposta - di usare la teoria dei sistemi come linguaggio comune e framework progettuale, badando specificamente a concentrare lo sforzo modellistico sul "fenomeno fisico di base" di cui sopra, dimodoché tutto quanto dovrà controllarlo emerga in modo naturale come l'implementazione di un modelli di controlloer (nel senso che tale termine ha nella teoria dei sistemi). Con tale approccio innovativo, è possibile mostrare non solo che molte importanti funzionalità dei computing system si possono naturalmente vedere come controllori in retroazione, ma anche che un l'adozione di questo punto di vista conduce spesso a soluzioni sorprendentemente semplici, che possono essere implementate in sistemi esistenti e indicare linee guida innovative per rendere più efficiente il progetto di sistemi nuovi.