Efficient engineered systems require scalability. A scalable system has increasing performance with increasing system size. In an ideal case, the increase in performance (e.g., speedup) corresponds to the number of units that are added to the system. However, if multiple units work on the same task, then coordination among these units is required. This coordination can introduce overheads with an impact on system performance. The coordination costs can lead to sublinear improvement or even diminishing performance with increasing system size. However, there are also systems that implement efficient coordination and exploit collaboration of units to attain superlinear improvement. Modeling the scalability dynamics is key to understanding efficient systems. Known laws of scalability, such as Amdahl's law, Gustafson's law, and Gunther's Universal Scalability Law, are minimalistic phenomenological models that explain a rich variety of system behaviors through concise equations. While useful to gain general insights, the phenomenological nature of these models may limit the understanding of the underlying dynamics, as they are detached from first principles that could explain coordination overheads among units. Through a decentralized system approach, we propose a general model based on generic interactions between units that is able to describe, as specific cases, any general pattern of scalability included by previously reported laws. The proposed general model of scalability is built on first principles, or at least on a microscopic description of interaction between units, and therefore has the potential to contribute to a better understanding of system behavior and scalability. We show that this model can be applied to a diverse set of systems, such as parallel supercomputers, robot swarms, or wireless sensor networks, creating a unified view on interdisciplinary design for scalability.


翻译:高效设计系统需要伸缩。 一个可扩缩的系统随着系统规模的扩大而提高性能。 在理想的案例中, 性能的提高( 如加速) 与系统增加的单位数相对应。 但是, 如果多个单位在同一任务中工作, 那么这些单位之间需要协调。 这种协调可以引入间接费用, 对系统性能产生影响。 协调成本可以导致亚线性改进, 甚至随着系统规模的扩大而降低性能。 但是, 还有一些系统可以实施高效的协调并利用各单位的合作来实现超线性能的改进。 在理想的案例中, 性能的增强( 例如, 加速) 是理解高效系统增加的单位数量的关键。 已知的可扩缩性法律, 如 Amdahl 的法律, Gustafson 的法律, 和 Gunther 通用可扩缩缩缩缩缩法律, 是最小的文理学模型模型, 解释系统行为的丰富种类。 这些模型的精细略性性质可能会限制对基本动态的理解, 因为它们与第一个可以解释单位之间最小的协调原则是关键。 因此, 我们通过一个分散的系统设计法系的模型, 能够描述一般的模型, 将一个常规的模型 显示一个普通的系统 。

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