面向多核處理器系統(tǒng)的可靠性與能耗優(yōu)化調(diào)度研究.pdf

1、隨著VLSI技術的迅猛發(fā)展與應用需求的不斷提高，芯片制造商正在推出多核芯片和片上多處理器系統(tǒng)，多核處理器平臺已經(jīng)變得日益普遍。多核處理器結構是一種高效的并行體系結構，隨著芯片上集成的晶體管數(shù)量不斷增加，其性能得到顯著的改善。然而，這種性能的提升是以急劇增加的計算機芯片的能耗為代價的。而能耗是很多嵌入式實時系統(tǒng)首要考慮的因素，特別是無線移動和便攜式計算設備。另外，隨著微處理器芯片逐步采用納米級制造工藝，由于集成電路特征尺寸不斷減小、頻率不

2、斷升高，使得微處理器的故障發(fā)生率不斷攀升，微處理器的可靠性不斷降低。因此，在多核處理器平臺已成為主流的今天，如何在滿足實時任務截止期約束的前提下盡可能降低系統(tǒng)能耗，保證系統(tǒng)在可靠環(huán)境下運行，仍是多核處理器系統(tǒng)操作系統(tǒng)級任務調(diào)度技術研究中一個亟待解決的問題。解決這一問題既具有重要的學術價值，又具有廣闊的應用前景。
　　本文針對多核處理器實時系統(tǒng)中的能耗及可靠性問題，研究節(jié)能及可靠性優(yōu)化的調(diào)度關鍵技術，旨在探索實時調(diào)度策略與硬件節(jié)能技

3、術結合帶來的節(jié)能特性如何，以及探索在操作系統(tǒng)級任務調(diào)度時考慮系統(tǒng)可靠性的可行性。本文從以下三個方面對多核處理器節(jié)能及可靠性優(yōu)化調(diào)度策略展開研究：
　?。?）對現(xiàn)有異構多核處理器節(jié)能與可靠性調(diào)度算法進行深入分析和研究，針對異構系統(tǒng)的可靠性存在差異的實際情況，解決在保證系統(tǒng)可靠性及實時性的約束條件下的任務分配問題，目標是最小化系統(tǒng)能耗開銷。本文考慮到任務流圖的不同特征，提出相應不同的算法。具體來說，當任務流圖是一條路徑或者是一顆樹時，

4、使用基于動態(tài)規(guī)劃的算法在多項式時間復雜度內(nèi)，獲得調(diào)度最優(yōu)結果。當任務流圖為有向無環(huán)圖時，本文提出應用整數(shù)線性規(guī)劃(Integer Linear Programming：ILP)來解決此問題。然而，ILP模型隨著輸入的變大，得到最優(yōu)解所需的時間呈指數(shù)級增長。因此，本文還提出使用一種高效的啟發(fā)式算法，使得能在較短時間內(nèi)找到近似最優(yōu)解。
　?。?）隨著工藝尺寸的減小以及核心數(shù)量的增加，功耗密度不可避免隨之增加，使得處理器核溫度急劇上升，

5、溫度升高帶來的處理器核的可靠性問題不可避免。已有的針對處理器溫度及壽命可靠性優(yōu)化的技術的主要問題是只單方面的考慮芯片溫度或壽命可靠性中的一種，而沒有同時考慮到優(yōu)化芯片溫度及其壽命。本文提出使用整數(shù)線性規(guī)劃模型(Mixed Integer Linear Programming: MILP)在對應用程序進行分配與調(diào)度時同時考慮芯片的溫度控制及其壽命可靠性優(yōu)化。在保證溫度閾值和壽命閾值的條件下，本文所提出的MILP方法總是盡可能的減少系統(tǒng)能耗

6、。該MILP模型使用經(jīng)過改進的輕量級的熱模型，以準確估計各個處理器的溫度并且決定任務的執(zhí)行對器件老化及可靠性的影響。
　　（3）在大數(shù)據(jù)時代，各個領域大量的應用程序自身具有一定的容錯性。這種容錯性特征使得多核處理器可以利用電壓超比例縮小技術（Voltage Over-Scaling，VOS）以達到減少計算任務的能耗的目的。在由VOS導致的隨機變化和出現(xiàn)錯誤的情境下，如何調(diào)度計算任務使得輸出質(zhì)量達標并且系統(tǒng)總能耗降低顯得尤其重要。針