把“數(shù)據(jù)中心”和“博弈游戲”兩個(gè)詞放在一起，你會(huì)想到什么？經(jīng)濟(jì)學(xué)家們研究的“囚徒困境”？還是《魔獸世界》的用戶數(shù)據(jù)？

我們今天要講的，正是“數(shù)據(jù)中心”和“博弈游戲”的結(jié)合，但和在線游戲一點(diǎn)關(guān)系沒(méi)有。

今天的話題，是切實(shí)發(fā)生在數(shù)據(jù)中心的博弈——從共享的大量計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)系統(tǒng)中搶占資源。

即使是在算力最為充足的的公司——谷歌，員工們也常常進(jìn)行這樣的博弈。

當(dāng)要求提交任務(wù)的計(jì)算需求時(shí)，一些員工會(huì)夸大了他們對(duì)資源的請(qǐng)求，以減少與他人共享的數(shù)量。有趣的是，其他一些員工則會(huì)減少了他們的資源請(qǐng)求，假裝他們的任務(wù)可以輕松地在任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上完成。一旦他們?cè)谝慌_(tái)機(jī)器上開始任務(wù)，相關(guān)的操作就會(huì)耗盡機(jī)器上所有可用的資源，并擠掉他們同事的任務(wù)。

這些伎倆看起來(lái)有點(diǎn)滑稽，但它直指一個(gè)真正的問(wèn)題——效率低下。

2018年，全球數(shù)據(jù)中心耗電量為2050億千瓦時(shí)，幾乎和澳大利亞全境的用電量相當(dāng)，約占世界總量的1%。由于服務(wù)器未被充分利用，因此大量能源被浪費(fèi)掉了。一臺(tái)空閑服務(wù)器所浪費(fèi)的電力相當(dāng)于其峰值用電量的50%；而當(dāng)服務(wù)器開始工作時(shí)，其固定的電力成本就將分?jǐn)偟皆摴ぷ魃稀?/p>

由于運(yùn)行單個(gè)任務(wù)的用戶通常只占用服務(wù)器資源的20%到30%，因此多個(gè)用戶必須共享服務(wù)器以提高其利用率，從而提高其能源效率。共享還可以降低資本、運(yùn)營(yíng)和基礎(chǔ)設(shè)施成本。畢竟，不是每個(gè)人都有足夠的錢來(lái)建立自己的數(shù)據(jù)中心。

為了分配共享資源，數(shù)據(jù)中心部署有資源管理系統(tǒng)，根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)自身目標(biāo)，對(duì)可用的處理器內(nèi)核、內(nèi)存容量和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行劃分。乍一看，這個(gè)任務(wù)應(yīng)該很簡(jiǎn)單，因?yàn)橛脩艚?jīng)常有補(bǔ)充需求。但事實(shí)并非如此。共享在用戶之間產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)，正如我們看到的谷歌員工，很可能會(huì)扭曲資源的使用。

因此，我們可以使用博弈論（game theory），即描述理性決策者之間戰(zhàn)略交互的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了一系列項(xiàng)目，以此來(lái)管理這些自私用戶之間的資源分配，同時(shí)最大化地提升數(shù)據(jù)中心的效率。在這種情況下，這種博弈還確實(shí)有利于解決資源分配問(wèn)題。

貨幣兌換機(jī)制失效，博弈論登場(chǎng)

幫助一群理性和自私的用戶有效地共享資源并不僅僅是大數(shù)據(jù)時(shí)代的產(chǎn)物。經(jīng)濟(jì)學(xué)家們幾十年來(lái)一直在這樣做。

在經(jīng)濟(jì)學(xué)中，市場(chǎng)機(jī)制根據(jù)供求來(lái)決定資源的價(jià)格。實(shí)際上，目前不少公共數(shù)據(jù)中心就在這么做，比如Amazon EC2和Microsoft Azure。在那里，真實(shí)貨幣的轉(zhuǎn)移充當(dāng)了一種工具，將用戶的動(dòng)機(jī)(績(jī)效)與提供商的目標(biāo)(效率)結(jié)合起來(lái)。

然而，在許多情況下，貨幣兌換機(jī)制是失效的。

讓我們考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。

假設(shè)在你最好朋友的婚禮上，你得到了一張歌劇演出的門票，你決定把票給最喜歡該演出的人。所以你要進(jìn)行所謂的第二價(jià)拍賣：讓你的朋友們?yōu)檫@張票出價(jià)，規(guī)定贏家支付給你第二高的出價(jià)。數(shù)學(xué)上已經(jīng)證明，在這種拍賣中，你的朋友沒(méi)有動(dòng)機(jī)去謊報(bào)他們對(duì)這張歌劇票的估價(jià)。

如果你不想要錢或不能讓你的朋友付你錢，你的選擇就會(huì)變得非常有限。如果你問(wèn)你的朋友他們有多想去看歌劇，沒(méi)有什么能阻止他們夸大他們對(duì)門票的渴望。歌劇票只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，但在很多地方——比如谷歌的私人數(shù)據(jù)中心或?qū)W術(shù)計(jì)算機(jī)集群——金錢要不不能轉(zhuǎn)手，要不就是不該轉(zhuǎn)手，更不能以此來(lái)決定誰(shuí)得到什么。

博弈論為這類問(wèn)題提供了可行的解決方案——實(shí)際上它已被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。我們從這兩個(gè)領(lǐng)域獲得了靈感，但我們也必須解決它們的局限性。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，有很多工作通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)制來(lái)管理自利的和不協(xié)調(diào)的路由器以避免擁塞。但是這些模型只考慮對(duì)單個(gè)資源網(wǎng)絡(luò)帶寬的爭(zhēng)用。在數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)集群和服務(wù)器中，有各種各樣的資源需要爭(zhēng)奪。
在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，人們對(duì)考慮多種資源的資源分配機(jī)制產(chǎn)生了濃厚的興趣，特別是一種稱為支配資源公平性的機(jī)制。然而，這類工作僅限于性能模型和處理器與內(nèi)存的比率，美國(guó)服務(wù)器租用，它們并不總是反映數(shù)據(jù)中心的真實(shí)場(chǎng)景。

“計(jì)算沖刺”引起“公地悲劇”

為了提出適用于數(shù)據(jù)中心的博弈論模型，我們深入研究了硬件架構(gòu)的細(xì)節(jié)，從最小的層次開始：晶體管。

長(zhǎng)期以來(lái)，晶體管在縮小體積的同時(shí)耗散的功率越來(lái)越小，部分原因是降低了工作電壓。然而，到2005年左右，這種被稱為登納德縮放比例的定律已被打破。