Sistemas de ultra gran escala

Sistema de ultra gran escala ( ULSS ) es un término utilizado en campos como la informática , la ingeniería de software y la ingeniería de sistemas para referirse a sistemas intensivos en software con cantidades sin precedentes de hardware , líneas de código fuente , números de usuarios y volúmenes de datos . La escala de estos sistemas da lugar a muchos problemas: serán desarrollados y utilizados por muchas partes interesadas en múltiples organizaciones, a menudo con propósitos y necesidades conflictivos; se construirán a partir de partes heterogéneas con dependencias complejas y propiedades emergentes; evolucionarán continuamente; y los fallos de software, hardware y humanos serán la norma, no la excepción. El término "sistema de ultra gran escala" fue introducido por Northrop y otros ^[1] para describir los desafíos que enfrenta el Departamento de Defensa de los Estados Unidos . El término se ha utilizado posteriormente para discutir los desafíos en muchas áreas, incluida la informatización de los mercados financieros . ^[2] El término "sistema de ultra gran escala" (ULSS) a veces se utiliza indistintamente con el término "sistema de TI complejo a gran escala" (LSCITS). Estos dos términos se introdujeron en momentos similares para describir problemas similares: el primero se acuñó en Estados Unidos y el segundo en el Reino Unido.

El término sistema de ultra gran escala fue introducido en un informe de 2006 del Instituto de Ingeniería de Software de la Universidad Carnegie Mellon escrito por Linda Northrop y colegas. ^[1] El informe explicó que los sistemas intensivos en software están alcanzando escalas sin precedentes (según medidas que incluyen líneas de código; cantidad de usuarios y partes interesadas; propósitos para los que se utiliza el sistema; cantidades de datos almacenados, accedidos, manipulados y refinados; cantidad de conexiones e interdependencias entre componentes; y cantidad de elementos de hardware). Cuando los sistemas se vuelvan de ultra gran escala, los enfoques tradicionales de ingeniería y gestión ya no serán adecuados. El informe sostiene que el problema ya no es de sistemas de ingeniería o sistema de sistemas , sino de " ecosistemas sociotécnicos " de ingeniería.

En 2013, Linda Northrop y su equipo llevaron a cabo una charla para revisar los resultados del estudio de 2006 y la realidad de 2013. En resumen, la charla concluyó que (a) los sistemas ULS están en medio de la sociedad y los cambios en el tejido social y las instituciones actuales son significativos; (b) el equipo de investigación original de 2006 probablemente fue demasiado conservador en su informe; (c) las tecnologías recientes han exacerbado el ritmo de crecimiento de la escala; y (d) existen grandes oportunidades. ^[3]

En una época similar a la publicación del informe de Northrop y otros, se estaba iniciando en el Reino Unido una iniciativa de investigación y formación sobre sistemas informáticos complejos a gran escala . Muchos de los retos reconocidos en esta iniciativa eran los mismos o similares a los reconocidos como retos de los sistemas a gran escala. ^[4] Greg Goth ^[5] cita a Dave Cliff , director de la iniciativa del Reino Unido, diciendo que "la propuesta ULSS y la propuesta LSCITS se escribieron de forma totalmente independiente, pero llegamos a conclusiones muy similares sobre lo que hay que hacer y sobre cómo hacerlo". Una diferencia señalada por Ian Sommerville ^[4] es que la iniciativa del Reino Unido empezó con una visión de cinco a diez años, mientras que la de Northrop y sus coautores era a mucho más largo plazo. Esto parece haber dado lugar a que existieran dos perspectivas ligeramente diferentes sobre los sistemas a gran escala. Por ejemplo, la perspectiva de Richard Gabriel es que los sistemas a gran escala son deseables pero actualmente imposibles de construir debido a las limitaciones en los campos del diseño de software y la ingeniería de sistemas. ^[6] Por otra parte, la perspectiva de Sommerville es que ya están surgiendo sistemas de escala ultra grande (por ejemplo en el control del tráfico aéreo ), y que el problema clave no es cómo lograrlos sino cómo garantizar que estén diseñados adecuadamente. ^[4]

Los sistemas de ultra gran escala poseen características de sistemas de sistemas (sistemas que tienen: subsistemas operacionalmente independientes; componentes y subsistemas administrativamente independientes; desarrollo evolutivo; comportamiento emergente; y distribución geográfica). Además de esto, el informe de Northrop ^[1] sostiene que un ULSS:

• Disponer de datos descentralizados , desarrollo, evolución y control operativo.
• Abordar requisitos inherentemente conflictivos, incognoscibles y diversos.
• Evolucionar continuamente mientras está en funcionamiento, con diferentes capacidades que se implementan y eliminan.
• Contienen elementos heterogéneos, inconsistentes y cambiantes.
• Erosionar los límites entre las personas y el sistema. Las personas no serán solo usuarios, sino elementos del sistema que afectarán su comportamiento emergente general.
• Considere que el fallo es la norma, en lugar de la excepción, y que es extremadamente improbable que todos los componentes funcionen al mismo tiempo.
• Se requieren nuevos paradigmas para la adquisición y la política, y nuevos métodos de control.

El informe de Northrop ^[1] afirma que "la magnitud de los sistemas ULS cambiará todo. Los sistemas ULS necesariamente estarán descentralizados de diversas maneras, serán desarrollados y utilizados por una amplia variedad de partes interesadas con necesidades conflictivas, evolucionarán continuamente y se construirán a partir de partes heterogéneas. Las personas no serán simplemente usuarios de un sistema ULS; serán elementos del sistema. Las realidades de los fallos de software y hardware se integrarán fundamentalmente en el diseño y el funcionamiento de los sistemas ULS. La adquisición de un sistema ULS será simultánea a su funcionamiento y requerirá nuevos métodos de control. En los sistemas ULS, estas características dominarán. En consecuencia, los sistemas ULS impondrán demandas sin precedentes en las prácticas de adquisición, producción, implementación, gestión, documentación, uso y evolución del software".

El término "sistema de ultra gran escala" fue introducido por Northrop y otros ^[1] para analizar los desafíos que enfrenta el Departamento de Defensa de los Estados Unidos en la ingeniería de sistemas intensivos en software. En 2008, Greg Goth escribió que, si bien el informe de Northrop se centraba en los requisitos futuros del ejército estadounidense, "su descripción de cómo cambiarán los principios fundamentales del diseño de software en una economía global  ... está teniendo un gran atractivo". ^[5] El término se utiliza ahora para analizar problemas en varios dominios.

El informe de Northrop sostiene que "el Departamento de Defensa de Estados Unidos (DoD) tiene como objetivo el dominio de la información  ... este objetivo depende de sistemas cada vez más complejos caracterizados por miles de plataformas, sensores, nodos de decisión, armas y combatientes conectados a través de redes heterogéneas cableadas e inalámbricas  ... Estos sistemas irán mucho más allá del tamaño de los sistemas actuales en todos los aspectos  ... Serán sistemas de escala ultragrande". ^[1]

Tras el Flash Crash de 2010 , Cliff y Northrop ^[2] han argumentado que "el altísimo grado de interconexión en los mercados globales significa que sistemas comerciales enteros, implementados y gestionados por separado por organizaciones independientes, pueden considerarse legítimamente como entidades constituyentes significativas en el supersistema global más grande  ... La gran cantidad de agentes humanos y sistemas informáticos conectados dentro del sistema de sistemas de los mercados financieros globales es tan grande que es un ejemplo de un sistema de ultra gran escala, y esa gran escala tiene efectos significativos en la naturaleza del sistema". ^[2]

Kevin Sullivan ha afirmado que el sistema de salud de Estados Unidos es "claramente un sistema de escala ultra grande" ^{[7] y que construir} una ciberinfraestructura a escala nacional para la atención médica "exige no sólo un esfuerzo riguroso y moderno de ingeniería de sistemas y software, sino un enfoque a la vanguardia de nuestra comprensión de los sistemas de procesamiento de información y su desarrollo e implementación en entornos sociotécnicos complejos". ^[7]

Otros ámbitos en los que se dice que están asistiendo al surgimiento de sistemas de escala ultra grande incluyen el gobierno, los sistemas de transporte (por ejemplo, los sistemas de control de tráfico aéreo), los sistemas de distribución de energía (por ejemplo, las redes inteligentes) y las grandes empresas.

Las lagunas fundamentales en nuestra comprensión actual del software y del desarrollo de software a escala de los sistemas ULS presentan profundos impedimentos para el logro técnica y económicamente eficaz de mejoras significativas en la funcionalidad básica del sistema. Estas lagunas son estratégicas, no tácticas. Es poco probable que se las aborde adecuadamente mediante una investigación incremental dentro de las categorías establecidas. Más bien, necesitamos una nueva concepción amplia tanto de la naturaleza de dichos sistemas como de nuevas ideas sobre cómo desarrollarlos. Tendremos que verlos de manera diferente, no solo como sistemas o sistemas de sistemas, sino como ecosistemas sociotécnicos. Afrontaremos desafíos fundamentales en el diseño y la evolución, la orquestación y el control, y el monitoreo y la evaluación de los sistemas ULS. Estos desafíos requieren una investigación innovadora. ^[1]

El informe de Northrop propuso que se desarrollara una cartera de investigación interdisciplinaria , siguiendo una agenda de investigación de sistemas ULS que destaque las siguientes áreas: ^[1] Interacción humana: las personas son participantes clave en los sistemas ULS. Muchos problemas en los sistemas complejos actuales se derivan de fallas a nivel individual y organizacional. La comprensión del comportamiento de los sistemas ULS dependerá de la visión de que los humanos son elementos de un proceso computacional constituido socialmente. Esta investigación involucra a antropólogos , sociólogos y científicos sociales que realizan análisis sociotécnicos detallados de las interacciones de los usuarios en el campo, con el objetivo de comprender cómo construir y desarrollar dichos sistemas sociotécnicos de manera efectiva. ^[8]

Emergencia computacional: los sistemas ULS deben satisfacer las necesidades de los participantes en múltiples niveles de una organización. Estos participantes a menudo se comportarán de manera oportunista para alcanzar sus propios objetivos. Algunos aspectos de los sistemas ULS se "programarán" incentivando y restringiendo adecuadamente el comportamiento en lugar de prescribirlo explícitamente. Esta área de investigación explora el uso de métodos y herramientas basados ​​en la economía y la teoría de juegos (por ejemplo, el diseño de mecanismos) para garantizar un comportamiento globalmente óptimo del sistema ULS explotando los intereses estratégicos propios de los constituyentes del sistema. Esta área de investigación también incluye la exploración de metaheurísticas y evolución digital para aumentar los límites cognitivos de los diseñadores humanos, de modo que puedan gestionar la adaptación continua del sistema ULS de manera más eficaz. ^[9]

Diseño – La teoría, los métodos, las notaciones, las herramientas y las prácticas de diseño actuales, así como los métodos de adquisición que las respaldan, son inadecuados para diseñar sistemas ULS de manera eficaz. Esta área de investigación amplía la definición tradicional de diseño centrada en la tecnología para incluir a las personas y las organizaciones; consideraciones sociales, cognitivas y económicas; y estructuras de diseño como las reglas de diseño y las políticas gubernamentales. Implica la investigación en apoyo del diseño de sistemas ULS desde todos estos puntos de vista y en muchos niveles de abstracción, desde el hardware hasta el software y las personas y las organizaciones en las que trabajan. ^[10]

Ingeniería computacional: se requerirán nuevos enfoques para permitir el control intelectual a un nivel de alcance y escala completamente nuevo para el análisis, diseño y operación de sistemas. Los sistemas ULS se definirán en muchos lenguajes, cada uno con sus propias abstracciones y estructuras semánticas. Esta área de investigación se centra en la evolución de la expresividad de las representaciones para dar cabida a esta diversidad semántica. Debido a que la complejidad de los sistemas ULS desafiará la comprensión humana, esta área también se centra en proporcionar soporte automatizado para calcular el comportamiento de los componentes y sus composiciones en los sistemas y para mantener las propiedades deseadas a medida que evolucionan los sistemas ULS. ^[11]

Infraestructura de sistema adaptativa: los sistemas ULS requieren una infraestructura que permita a las organizaciones en ubicaciones distribuidas trabajar en paralelo para desarrollar, seleccionar, implementar y hacer evolucionar los componentes del sistema. Esta área de investigación investiga los entornos de desarrollo integrados y las plataformas de ejecución que respaldan la naturaleza descentralizada de los sistemas ULS. Esta investigación también se centra en las tecnologías, los métodos y las teorías que permitirán el desarrollo de sistemas ULS en sus entornos de implementación. ^[12]

Calidad del sistema adaptable y predecible: los sistemas ULS tendrán una larga vida útil y deben funcionar de manera robusta en entornos plagados de fallas, sobrecargas y ciberataques . Estos sistemas deben mantener su robustez en presencia de adaptaciones que no estén controladas o autorizadas de manera centralizada. ^[13]

La gestión de cualidades tradicionales como la seguridad , el rendimiento, la fiabilidad y la facilidad de uso es necesaria, pero no suficiente, para afrontar los retos de los sistemas ULS. Esta área de investigación se centra en cómo mantener la calidad en un sistema ULS frente a cambios continuos, fallos constantes y ataques. También incluye la identificación, predicción y control de nuevos indicadores de la salud del sistema (similares al producto interior bruto de EE. UU .) que son necesarios debido a la escala de los sistemas ULS.

Política, adquisición y gestión: los marcos de políticas y gestión para los sistemas ULS deben abordar políticas organizacionales, técnicas y operativas en todos los niveles. Se deben desarrollar y automatizar reglas y políticas para permitir una acción local rápida y efectiva, preservando al mismo tiempo las capacidades globales. Esta área de investigación se centra en la transformación de las políticas y los procesos de adquisición para dar cabida a la rápida y continua evolución de los sistemas ULS al tratar a los proveedores y las cadenas de suministro como componentes intrínsecos y esenciales de un sistema ULS. ^[14]

La investigación propuesta no sustituye a la importante investigación actual sobre software, sino que amplía significativamente sus horizontes. Además, dado que se centra en los sistemas del futuro, el equipo de SEI evitó deliberadamente formular descripciones en términos de la tecnología actual. El resultado previsto de la investigación propuesta es un espectro de tecnologías y métodos para desarrollar estos sistemas del futuro, con beneficios económicos, sociales y de seguridad nacional que se extienden mucho más allá de los propios sistemas ULS.

El programa de investigación del Reino Unido en sistemas informáticos complejos a gran escala ^{[15] [16]} se ha ocupado de cuestiones relacionadas con el desarrollo de ULSS y considera que un LSCITS (sistema informático complejo a gran escala) comparte muchas de las características de un ULSS.

La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China ha diseñado un proyecto de cinco años para que los investigadores estudien el ensamblaje de naves espaciales de gran tamaño. ^[17] Aunque es vago, el proyecto podría tener aplicaciones para posibles megaproyectos , incluidas colosales centrales solares espaciales . El trabajo en un Proyecto de Ensamblaje en Órbita de Apertura Ultra Grande bajo la supervisión de la Academia China de Ciencias (ACCH) y con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología de China ya está en marcha.

• Sistema adaptativo complejo
• Aparición
• Gestión de cartera de TI
• Sobrecarga del operador
• Autoorganización
• Sistemas sociotécnicos
• Arquitectura de software
• Diseño de sistemas
• Teoría de sistemas

• Northrop, Linda M. (24 de mayo de 2013). "¿Importa realmente la escala? Sistemas de escala ultragrande siete años después del estudio" (PDF) . Instituto de Ingeniería de Software . Universidad Carnegie Mellon. Discurso de apertura presentado en la 35.ª Conferencia Internacional sobre Ingeniería de Software (ICSE 2013) y publicado por IEEE Computer Society Press. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2022.
• Peter Van Roy (2008). "Los desafíos y las oportunidades de los procesadores múltiples: por qué los procesadores multinúcleo son fáciles e Internet es difícil", a través de Lambda the Ultimate. Documento de debate que aborda temas importantes en la investigación de ULS.
• Capítulos de: BA Huberman, ed. (1988). La ecología de la computación . Ámsterdam: Elsevier Science North Holland. ISBN 978-0444703750.Tres artículos fundamentales sobre computación orientada al mercado basada en capacidades (conceptos que son objeto de algunas investigaciones de ULS Systems), por Mark S. Miller y K. Eric Drexler – vía The Agoric Papers – (índice archivado):
  • "Mercados y computación: sistemas abiertos agóricos" (PDF) . La ecología de la computación . 1988. pp. 133–176. Archivado desde el original (PDF) el 14 de agosto de 2022.
  • "Ingeniería de incentivos para la gestión de recursos computacionales" (PDF) . The Ecology of Computation . 1988. pp. 231–266. Archivado desde el original (PDF) el 5 de diciembre de 2022.
  • "Ecología comparada: una perspectiva computacional" (PDF) . The Ecology of Computation . 1988. pp. 51–76. Archivado desde el original (PDF) el 24 de enero de 2023.