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(shù)的迅猛發(fā)展與應(yīng)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(tái)已經(jīng)變得日益普遍。多核處理器結(jié)構(gòu)是一種高效的并行體系結(jié)構(gòu)，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(jì)算機(jī)芯片的能耗為代價(jià)的。而能耗是很多嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)首要考慮的因素，特別是無線移動(dòng)和便攜式計(jì)算設(shè)備。另外，隨著微處理器芯片逐步采用納米級(jí)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(tái)已成為主流的今天，如何在滿足實(shí)時(shí)任務(wù)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(yùn)行，仍是多核處理器系統(tǒng)操作系統(tǒng)級(jí)任務(wù)調(diào)度技術(shù)研究中一個(gè)亟待解決的問題。解決這一問題既具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，又具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文針對(duì)多核處理器實(shí)時(shí)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(guān)鍵技術(shù)，旨在探索實(shí)時(shí)調(diào)度策略與硬件節(jié)能技

3、術(shù)結(jié)合帶來的節(jié)能特性如何，以及探索在操作系統(tǒng)級(jí)任務(wù)調(diào)度時(shí)考慮系統(tǒng)可靠性的可行性。本文從以下三個(gè)方面對(duì)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(duì)現(xiàn)有異構(gòu)多核處理器節(jié)能與可靠性調(diào)度算法進(jìn)行深入分析和研究，針對(duì)異構(gòu)系統(tǒng)的可靠性存在差異的實(shí)際情況，解決在保證系統(tǒng)可靠性及實(shí)時(shí)性的約束條件下的任務(wù)分配問題，目標(biāo)是最小化系統(tǒng)能耗開銷。本文考慮到任務(wù)流圖的不同特征，提出相應(yīng)不同的算法。具體來說，當(dāng)任務(wù)流圖是一條路徑或者是一顆樹時(shí)，

4、使用基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的算法在多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)，獲得調(diào)度最優(yōu)結(jié)果。當(dāng)任務(wù)流圖為有向無環(huán)圖時(shí)，本文提出應(yīng)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(shí)間呈指數(shù)級(jí)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(shí)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(duì)處理器溫度及壽命可靠性優(yōu)化的技術(shù)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(shí)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(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行分配與調(diào)度時(shí)同時(shí)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(jìn)的輕量級(jí)的熱模型，以準(zhǔn)確估計(jì)各個(gè)處理器的溫度并且決定任務(wù)的執(zhí)行對(duì)器件老化及可靠性的影響。
　?。?）在大數(shù)據(jù)時(shí)代，各個(gè)領(lǐng)域大量的應(yīng)用程序自身具有一定的容錯(cuò)性。這種容錯(cuò)性特征使得多核處理器可以利用電壓超比例縮小技術(shù)（Voltage Over-Scaling，VOS）以達(dá)到減少計(jì)算任務(wù)的能耗的目的。在由VOS導(dǎo)致的隨機(jī)變化和出現(xiàn)錯(cuò)誤的情境下，如何調(diào)度計(jì)算任務(wù)使得輸出質(zhì)量達(dá)標(biāo)并且系統(tǒng)總能耗降低顯得尤其重要。針