眾核系統(tǒng)動態(tài)能耗管理技術(shù)研究.pdf

1、隨著高性能計算（High-Performance Computing, HPC）系統(tǒng)規(guī)模不斷增長、性能不斷提高，系統(tǒng)功耗問題也日益凸顯。巨大的系統(tǒng)功耗不僅增加系統(tǒng)電力開銷和運行成本，而且間接加劇碳排放及其對環(huán)境的壓力，嚴重影響計算系統(tǒng)的性能擴展。在該背景下，綠色計算（Green Computing）受到越來越多的關(guān)注，高能效（Energy E?ciency）設(shè)計，也成為高性能計算系統(tǒng)的首要設(shè)計需求之一。另一方面，眾核（Many-core

2、）體系結(jié)構(gòu)在高性能計算領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，不僅為高性能計算系統(tǒng)提供了強大的計算能力，同時也消耗了大部分系統(tǒng)功耗。因此，研究眾核系統(tǒng)的動態(tài)能耗管理技術(shù)（Dynamic Power Management，DPM），降低眾核芯片的功耗、提高其能效，對于提高整個計算系統(tǒng)的能效具有重要作用。
　　針對眾核體系結(jié)構(gòu)的新特點及其能耗管理的迫切需求，本文研究了眾核體系結(jié)構(gòu)的功耗模型，結(jié)合功耗模型及性能模型，探索了可擴展眾核系統(tǒng)能耗管理技術(shù)

3、，并研究了針對眾核的高效動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)（Dynamic Voltage and Frequency Scaling，DVFS）。取得的主要研究成果如下：
　　（1）針對眾核體系結(jié)構(gòu)的特點，提出了一個基于性能計數(shù)器的眾核體系結(jié)構(gòu)功耗解析模型。基于對Intel SCC眾核平臺功耗、性能的詳細測試和分析，該模型綜合考慮了芯片電壓/頻率和程序執(zhí)行特征對功耗的影響，在一定程度上保證了模型估計的準確性。通過在Intel SCC眾核平臺上

4、的實驗分析，驗證了該模型在DVFS下的功耗預(yù)測準確性，同時，實驗結(jié)果表明，該模型的準確性優(yōu)于其他眾核功耗模型。
　?。?）提出了一個可擴展眾核系統(tǒng)能耗管理的解決方案，PoweRock。針對并行應(yīng)用程序的同步特點，提出了一個輕量的profiling方法；結(jié)合功耗、性能預(yù)測模型，PoweRock能夠快速獲得應(yīng)用程序的能耗控制profile，并根據(jù)管理優(yōu)化目標，靈活控制程序部署后的最優(yōu)功耗設(shè)置；針對眾核體系結(jié)構(gòu)中多電壓/頻率域的設(shè)計特點

5、，設(shè)計了一個層次式的域感知DVFS控制機制，并實現(xiàn)了一個內(nèi)核級的可擴展DVFS控制器。最后，本文在Barrelfish操作系統(tǒng)中實現(xiàn)了PoweRock，并在Intel SCC平臺中對其有效性、靈活性和可擴展性進行了驗證。實驗驗證結(jié)果表明，相比靜態(tài)功耗管理方法，動態(tài)能耗管理方法節(jié)約了高達65％的能耗或 EDP（Energy Delay Product）。
　?。?）研究了在具有多個電壓/頻率域的眾核系統(tǒng)中的DVFS延遲特性，發(fā)現(xiàn)In

6、tel SCC眾核系統(tǒng)中不容忽視的DVFS延遲問題；基于上述研究和發(fā)現(xiàn)，提出了一種延遲感知的DVFS控制算法，用以避免過于頻繁的功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換，提高DVFS的效率；本文在Barrelfish操作系統(tǒng)中實現(xiàn)了該DVFS控制算法，并使用Graph500等多個基準測試程序，在Intel SCC平臺上完成了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，相比基準profile指導(dǎo)的能耗管理方法，延遲感知算法平均能夠獲得15.2%的執(zhí)行性能提升，同時降低24.0%的能耗和