[論文レビュー] TEG: Exascale Cluster Governance via Non-Equilibrium Thermodynamics and Langevin Dynamics

Z. Y. Chu|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2026

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ひとこと要約

論文は、クラスターを散逸構造としてモデル化し、集中型スケジューリングを holographic 熱経済場で動作する Langevin エージェントに置き換える分散型 Thermo-Economic Governor (TEG) を提案し、スケーラブルで安定かつ安全な Exascale ガバナンスを実現します。

ABSTRACT

As cloud computing scales toward the Exascale regime ($10^5+$ nodes), the prevailing "Newtonian" orchestration paradigm -- exemplified by Kubernetes -- approaches fundamental physical limits. The centralized, deterministic scheduling model suffers from $O(N)$ latency scaling, "Head-of-Line" blocking, and thermodynamic blindness, rendering it incapable of managing the stochastic chaos of next-generation AI workloads. This paper proposes a paradigm shift from orchestration to Thermodynamic Governance. We model the compute cluster not as a static state machine, but as a Dissipative Structure far from equilibrium. We introduce TEG (Thermo-Economic Governor), a decentralized architecture that establishes a rigorous topological isomorphism between cluster resource contention and many-body physics. TEG replaces the global scheduler with Langevin Agents that execute Brownian motion on a Holographic Potential Field, reducing decision complexity to $O(1)$. System stability is maintained via a macro-scale Landau Phase Transition mechanism, which modulates global damping (taxation) to physically dissolve deadlocks. Crucially, we enforce Token Evaporation to mirror entropy dissipation, preventing economic inflation and ensuring an open thermodynamic system. We provide formal theoretical analysis proving that: (1) The system converges asymptotically to a Nash Equilibrium via Dual-Number Damping; (2) OOM catastrophic failures are converted into manageable Glassy States via an OS-level Airlock Mutex; and (3) Safety is mathematically guaranteed under high inertia using High-Order Control Barrier Functions (HOCBF). TEG demonstrates that emergent order, rather than deterministic control, is the necessary condition for Exascale scalability.

研究の動機と目的

• クラウドデータセンターの orchestration における Exascale のスケーラビリティと持続可能性の課題を動機付ける。
• 決定論的スケジューラを置換する物理情報のある分散ガバナンス枠組みを提案する。
• 非平衡熱力学と資源配分の機構設計を結ぶ formal framework を開発する。
• 収束性・安定性・安全性の理論的保証とともにアーキテクチャ的要素を提示する。

提案手法

• クラスターを散逸的非平衡系としてモデル化し、資源競合を多体物理へ写像する。
• ホログラフィックポテンシャル場上でブラウン運動のような意思決定を行う Langevin エージェントを導入し、意思決定の複雑さを削減する。
• 全体的な Entropy Governor を用いて減衰を調整し、Landau 相転移によるデッドロックを解消する。
• トークン蒸発をトークン化された Vickrey 入札で実装し、インフレーションを防ぎオープン系熱力学を強制する。
• ポテンシャル場にデュアルナンバー増強を適用し、予測的減衰を可能にして安定性を向上させる。
• 直交制御部分空間、デュアルナンバー減衰、HOCBF 安全性保証を含む理論解析を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Exascale クラスターにおいて分散型 Langevin エージェントフレームワークは平衡へ漸近的収束を達成できるか？
• RQ2 非平衡熱力学の概念をどのように資源競合の統治とデッドロック防止に適用できるか？
• RQ3 高慣性のワークロードと OS レベルの制約下で安全性と安定性を保証する仕組みは何か？
• RQ4 トークン蒸発と市場風の入札が物理的減衰とどう相互作用してインフレーションと混乱を防ぐか？
• RQ5 スケーラビリティとOOM/熱関連故障を防ぐための形式的保証は何か？

主な発見

• 三層アーキテクチャを提案：中間スケールのホログラフィック場、微視的スケールの Langevin エージェント、マクロスケールの Entropy Governor。
• ホログラフィック場の射影によってエージェントごとの意思決定の複雑さを O(1) に削減できると主張。
• 決定論的制御ではなく、Landau 相転移とエントロピー減衰を通じて自発的秩序が生じ得ることを示す。
• OOM リスクをガラス状態に対応づけ、OS レベルのミューテックス機構を導入して安定性を維持する。
• 高次制御バリア機能を用いた収束性と安全性の理論的保証を示す。