異構(gòu)系統(tǒng)中處理器可靠性和能耗感知的調(diào)度算法研究.pdf

1、隨著芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)異構(gòu)、大規(guī)模、高性能等特點(diǎn)。異構(gòu)的高性能計(jì)算系統(tǒng)為科學(xué)計(jì)算、工程應(yīng)用等眾多領(lǐng)域提供了一個(gè)很好的大規(guī)模計(jì)算解決方案，同時(shí)也在不斷地為人們的日常生活帶來(lái)便利。然而高性能計(jì)算伴隨著更多的能源消耗，其中的低功耗問(wèn)題和可靠性問(wèn)題一直研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文將圍繞綠色計(jì)算這一主題，重點(diǎn)展開(kāi)異構(gòu)系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程中的能耗管理、可靠性管理、成本預(yù)算下性能最大化等問(wèn)題的研究。具體來(lái)說(shuō)，本文的主要工作和貢獻(xiàn)概括為以下四個(gè)

2、方面：
　　1.在有能量預(yù)算前提下，開(kāi)展基于異構(gòu)系統(tǒng)中有優(yōu)先約束關(guān)系的任務(wù)集(記為DAG)的可靠性感知的任務(wù)調(diào)度算法研究。傳統(tǒng)的COMS功耗模型的不足在于其不能準(zhǔn)確反映處理器的功率消耗與處理器執(zhí)行頻率之間的關(guān)系。為此，本文中采用更具說(shuō)服力的能耗模型及可靠性模型，以量化采用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)(DVFS)技術(shù)后對(duì)處理器在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中瞬態(tài)故障的影響。在有能量預(yù)算的前提下，使得有優(yōu)先約束關(guān)系的任務(wù)在異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中執(zhí)行的過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行的可靠

3、性最大化。本文提出了三個(gè)低時(shí)間復(fù)雜度、有可靠性意識(shí)的啟發(fā)式算法(分別記為RHEFT、RCPOP和RMEC)。并通過(guò)組合11種不同的通信計(jì)算比值(記為CCR)，不同的異構(gòu)處理器數(shù)量，分別對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的隨機(jī)的和真實(shí)世界的DAG任務(wù)圖進(jìn)行測(cè)試。與另外兩個(gè)優(yōu)秀的有可靠性意識(shí)的算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，RHEFT、RCPOP和RMEC在有能量預(yù)算的約束下，DAG任務(wù)圖在異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中的調(diào)度在系統(tǒng)的可靠性加強(qiáng)方面有著明顯的加強(qiáng)。
　　2.在 D

4、AG任務(wù)圖存在共享時(shí)限約束的前提下，采用共享恢復(fù)技術(shù)，開(kāi)展基于異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中系統(tǒng)可靠性加強(qiáng)的研究。鑒于處理器的瞬態(tài)故障的發(fā)生率遠(yuǎn)大于永久故障這一事實(shí)，針對(duì)DAG任務(wù)圖在共享的時(shí)限約束的前提下，本文采用DVFS技術(shù)解決能量節(jié)約問(wèn)題和使用共享恢復(fù)技術(shù)來(lái)解決任務(wù)調(diào)度中出現(xiàn)的瞬態(tài)故障，并提出了三個(gè)使用共享恢復(fù)技術(shù)的可靠性加強(qiáng)和能量節(jié)約聯(lián)合優(yōu)化的啟發(fā)式算法(分別記為SHRHEF、SHRCPOP、SHRMEC)。通過(guò)組合不同的通信計(jì)算比值、不同的處

5、理器數(shù)量等進(jìn)行配置，并對(duì)多組隨機(jī)的和特定的任務(wù)圖進(jìn)行多次測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在滿足條件約束的情況下，即使發(fā)生瞬時(shí)故障，提出的三個(gè)算法依然能保證系統(tǒng)仍然以較高的可靠性和較低的能耗完成任務(wù)集的執(zhí)行。
　　3.開(kāi)展基于異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中 DAG任務(wù)集運(yùn)行過(guò)程中高系統(tǒng)可靠性和低能量消耗的雙目標(biāo)優(yōu)化研究。按需收費(fèi)的模式要求數(shù)據(jù)中心能提供給用戶多種選擇。針對(duì)有優(yōu)先約束關(guān)系的任務(wù)集，在其存在共享截止時(shí)間的前提下，本文研究其在執(zhí)行的過(guò)程中獲得較高的可

6、靠性和消耗較低的能量的雙目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。為此，提出的BOGA算法，在初始化種群時(shí)采用經(jīng)典的算法生成優(yōu)先任務(wù)隊(duì)列，使用單點(diǎn)交叉保證任務(wù)集在滿足優(yōu)先約束的前提下產(chǎn)生新的優(yōu)先任務(wù)隊(duì)列，使用帕累托占優(yōu)評(píng)價(jià)兩個(gè)解質(zhì)量的好壞，采用快速非支配排序?qū)λ阉鞯慕饧线M(jìn)行等級(jí)劃分，為算法進(jìn)入下一次迭代中，從種群中挑選出更好的優(yōu)質(zhì)的解創(chuàng)造條件。最后在jMetal框架中實(shí)現(xiàn)BOGA算法，并使用三種真實(shí)的并行任務(wù)圖進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，BOGA可以獲得更好的帕累托

7、前沿。
　　4.在考慮處理器電壓切換開(kāi)銷的前提下，基于高性能嵌入式系統(tǒng)，開(kāi)展執(zhí)行時(shí)間服從統(tǒng)計(jì)分布的低功耗任務(wù)調(diào)度研究。針對(duì)很多能量敏感的高性能設(shè)備，當(dāng)采用DVFS技術(shù)進(jìn)行能耗管理時(shí)，處理器在進(jìn)行電壓切換時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)銷將不可以簡(jiǎn)單地忽略。為此，本文針對(duì)執(zhí)行時(shí)間服從統(tǒng)計(jì)分布的獨(dú)立任務(wù)集，分別基于高性能的單核處理器和多核處理器，提出能量感知的OUET、UDPSM節(jié)能調(diào)度算法。對(duì)算法的評(píng)價(jià)中，分別使用執(zhí)行時(shí)間服從均勻分布、高斯分布、指數(shù)分布