Програмне забезпечення інтернет-доступної лабораторії напівпровідників

Abstract

У роботі представлені підходи до створення автоматизованої інтернет-доступної лабораторії напівпровідників, зокрема керуючого програмного комплексу, що забезпечує інтернет-доступність лабораторії. Описано функціонал і структуру програмно-апаратного комплексу, розробленого з урахуванням відомих рішень, а також варіанти його реалізації з використанням інтернету, хмарних і граничних обчислень. Розглянуто варіанти локальної реалізації з підвищеною стійкістю до форс-мажорних факторів і кіберзагроз. Проаналізовано та запропоновано оптимальні рішення для бази даних і протоколів комунікації, вибрано рішення, що задовольняють вимоги розподіленої системи з обмеженими ресурсами граничних вузлів, зокрема обмеженнями за оперативною пам'яттю та обчислювальними потужностями. Запропонована реляційна база даних SQLite має мінімальні вимоги до ресурсів і водночас надає більшість можливостей реляційних баз даних, а запропонований протокол gRPC є одним із найшвидших і ефективно використовує мережеві ресурси. Розглянуто основні підходи до реалізації граничних обчислень (Cloudlet, MEC, Fog Computing) і вибрано оптимальний варіант для інтернет-доступної лабораторії. Представлено загальну структуру та організацію базової лабораторної, клієнтської та дата-складових частин програмно-апаратного комплексу. Описано високорівневий алгоритм взаємодії основних вузлів системи та розподілу обчислювальних задач між ними. Цей алгоритм, використовуючи переваги гібридних (хмарно-граничних) обчислень, дозволяє прискорити опрацювання результатів експерименту, зменшити навантаження на канал зв'язку з інтернетом і знизити обчислювальні навантаження на хмарний вузол. Крім того, цей алгоритм підтримує роботу в автономному режимі, що дозволяє системі працювати без підключення до інтернету без обмежень функціоналу.The paper presents approaches for creating an automated internet-accessible semiconductor laboratory, specifically the control software system that ensures the internet accessibility of the laboratory. The functionality and structure of the software-hardware complex, developed with consideration of known solutions, are described, as well as its implementation options using the internet, cloud, and edge computing. Local implementation options with enhanced resilience to force majeure factors and cyber threats are also considered. Optimal solutions for databases and communication protocols are analyzed and proposed, with solutions selected to meet the requirements of a distributed system with limited resources at edge nodes, specifically limitations in memory and computational power. The proposed relational database SQLite has minimal resource requirements while providing most of the capabilities of relational databases, and the proposed gRPC protocol is one of the fastest and most efficient in utilizing network resources. The main approaches to implementing edge computing (Cloudlet, MEC, Fog Computing) are reviewed, and the optimal option for the internet-accessible laboratory is selected. The overall structure and organization of the basic laboratory, client, and data components of the software-hardware complex are presented. A high-level algorithm for the interaction of the main system nodes and the distribution of computational tasks between them is described. This algorithm, leveraging the advantages of hybrid (cloud-edge) computing, accelerates the processing of experiment results, reduces the load on the internet connection channel, and lowers the computational load on the cloud node. Additionally, this algorithm supports operation in an offline mode, allowing the system to function fully without an internet connection, without limiting its functionality.