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)的不斷進步，計算系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)異構(gòu)、大規(guī)模、高性能等特點。異構(gòu)的高性能計算系統(tǒng)為科學計算、工程應(yīng)用等眾多領(lǐng)域提供了一個很好的大規(guī)模計算解決方案，同時也在不斷地為人們的日常生活帶來便利。然而高性能計算伴隨著更多的能源消耗，其中的低功耗問題和可靠性問題一直研究中的重點和難點。本文將圍繞綠色計算這一主題，重點展開異構(gòu)系統(tǒng)計算過程中的能耗管理、可靠性管理、成本預算下性能最大化等問題的研究。具體來說，本文的主要工作和貢獻概括為以下四個

2、方面：
　　1.在有能量預算前提下，開展基于異構(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，本文中采用更具說服力的能耗模型及可靠性模型，以量化采用動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)(DVFS)技術(shù)后對處理器在執(zhí)行任務(wù)過程中瞬態(tài)故障的影響。在有能量預算的前提下，使得有優(yōu)先約束關(guān)系的任務(wù)在異構(gòu)計算系統(tǒng)中執(zhí)行的過程中系統(tǒng)運行的可靠

3、性最大化。本文提出了三個低時間復雜度、有可靠性意識的啟發(fā)式算法(分別記為RHEFT、RCPOP和RMEC)。并通過組合11種不同的通信計算比值(記為CCR)，不同的異構(gòu)處理器數(shù)量，分別對不同的節(jié)點數(shù)量的隨機的和真實世界的DAG任務(wù)圖進行測試。與另外兩個優(yōu)秀的有可靠性意識的算法的對比實驗表明，RHEFT、RCPOP和RMEC在有能量預算的約束下，DAG任務(wù)圖在異構(gòu)計算系統(tǒng)中的調(diào)度在系統(tǒng)的可靠性加強方面有著明顯的加強。
　　2.在 D

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

5、理器數(shù)量等進行配置，并對多組隨機的和特定的任務(wù)圖進行多次測試。實驗結(jié)果表明，在滿足條件約束的情況下，即使發(fā)生瞬時故障，提出的三個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.開展基于異構(gòu)計算系統(tǒng)中 DAG任務(wù)集運行過程中高系統(tǒng)可靠性和低能量消耗的雙目標優(yōu)化研究。按需收費的模式要求數(shù)據(jù)中心能提供給用戶多種選擇。針對有優(yōu)先約束關(guān)系的任務(wù)集，在其存在共享截止時間的前提下，本文研究其在執(zhí)行的過程中獲得較高的可

6、靠性和消耗較低的能量的雙目標優(yōu)化問題。為此，提出的BOGA算法，在初始化種群時采用經(jīng)典的算法生成優(yōu)先任務(wù)隊列，使用單點交叉保證任務(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)隊列，使用帕累托占優(yōu)評價兩個解質(zhì)量的好壞，采用快速非支配排序?qū)λ阉鞯慕饧线M行等級劃分，為算法進入下一次迭代中，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框架中實現(xiàn)BOGA算法，并使用三種真實的并行任務(wù)圖進行測試，對比實驗表明，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銷的前提下，基于高性能嵌入式系統(tǒng)，開展執(zhí)行時間服從統(tǒng)計分布的低功耗任務(wù)調(diào)度研究。針對很多能量敏感的高性能設(shè)備，當采用DVFS技術(shù)進行能耗管理時，處理器在進行電壓切換時產(chǎn)生的開銷將不可以簡單地忽略。為此，本文針對執(zhí)行時間服從統(tǒng)計分布的獨立任務(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。對算法的評價中，分別使用執(zhí)行時間服從均勻分布、高斯分布、指數(shù)分布