[发明专利]一种同构集群系统中基于动态电压调节技术的自适应节能调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机系统节能调度方法，特别是涉及一种同构集群系统中基于动态电压调节技术的自适应节能调度方法。

背景技术

集群是一种并行分布式处理系统，由很多连接在一起的独立计算机组成，像一个单独集成的计算资源一样协同工作，对于用户来说就像一个独立的计算系统。自20世纪90年代以来，随着PC机性能的显著提高和价格的日益下降，高速网络的发展，以及集群软件的日益成熟，集群系统已经成为高性能计算的主流平台，为计算密集型和通信密集型任务提供各种计算需求。

集群系统已经在工商业等诸多领域得到广泛应用。然而，集群系统在提供强大计算能力的同时也消耗了巨大的能量。例如，IBM的Roadrunner功率为2483.47千瓦，在第32届五百强的排名中名列第一，虽然Cray Jaguar排名第二，而它的功率却已高达6950.60千瓦。据统计，2008年服务于互联网的路由器、服务器、交换机、冷却设施、数据中心等各种设备总共消耗8680亿度电，占全球总耗电量的5.3%。按照目前的增长趋势，到2025年，IT行业平均能耗会达到2008年的5倍。巨大的能耗代价成为制约集群系统发展的重要瓶颈，急需得到有效的解决。

用有向无环图(DAG，Directed Acyclic Graph)来表示并行任务调度问题一直是一个研究热点，并行任务调度问题已经被证明是NP完全问题，在国内外引起了广泛的研究。调度的目标是要在满足任务优先约束关系的前提下，根据适当的分配策略确定一种分派和执行顺序，将可并行执行的任务合理分配到各处理机上有序地执行，以达到减少总的执行时间的目的。

基于不同的调度策略，现有的调度方法主要可以分为三类：表调度方法，聚簇调度方法，基于任务复制的调度方法。集群系统中的节能可以采取传统的调度方法，运行流程也非常相似，只是在调度过程中综合考虑了节能这一目标。其中，调度方法的选择对于调度结果具有较大的影响，因为不恰当的调度方法可能会使真正强大的计算能力得不到体现，甚至会降低系统性能，增加系统能耗。目前，现有的节能调度方法大多数是基于以上三种调度方法，再结合动态电压调节（DVS，Dynamic Voltage Scaling）、动态功耗管理（DPM，Dynamic Power Management）、自适应链路速率（ALR，Adaptive Link Rate）等节能技术来优化处理器能耗和网络能耗。

动态电压调节(DVS)技术是一种新型硬件节能技术。其基本思想是在不影响处理器正常运行的情况下动态地调节处理器电压和频率，使得处理器不总以最高电压工作，从而起到降低能耗的目的。目前绝大多数处理器都用CMOS技术制造，而且支持多种处理器频率和电压设置。CMOS电路的功耗正比于时钟频率和电压的平方，即每个时钟周期的能量消耗正比于电压的平方。 对于一个任务来说，完成它所需要的时钟周期是固定的，所消耗的能量与电压的平方成正比，通过降低电压就可以降低能耗。虽然时钟频率与电压之间的线性关系，降低电压会调低时钟频率，增加任务的完成时间，但可以利用任务的空闲时间降低处理器电压和频率，在不影响其他任务执行的前提下可以降低系统能耗。在电压调节过程中，电压管理芯片能够执行微小的电压调整，并且能在极短的时间内（几十微秒内）完成电压的调整。

目前，国内外有关同构集群系统环境下基于性能和能耗的研究主要有：

美国辛辛那提大学的D.P.Agrawal等人在同构集群系统中提出了一种基于任务复制的调度方法（TDS），该方法尽可能地复制任务前驱以改进系统性能。电子科技大学的兰舟等人通过对几种典型的任务复制方法进行分析，提出了基于动态关键任务(DCT)的多处理器任务分配方法。DCT方法以克服贪心算法不足为要点，调度过程中动态计算任务时间参数，准确确定处理器的关键任务，以关键任务为核心优化调度，逐步改善调度结果，最终取得最优的调度结果。

基于任务复制的调度方法就是通过复制某个或某些任务到不同处理机上，消除具有约束关系的任务间的通信开销，从而减少整个任务调度时间长度。该方法可以有效地降低任务调度长度，节省通信能耗，但同时也会增加复制任务的计算能耗，因此在节能调度中需慎重考虑。

美国奥本大学的宗子良等人针对任务复制所产生的额外能量开销过高的问题，提出了一种基于任务复制的节能调度方法，该方法设置了一个阈值来控制任务复制，即选择性地复制任务最佳前驱来平衡系统性能和能耗两方面。山东大学的龚斌等人提出了一种将聚簇调度方法和任务复制调度方法有效结合起来的节能方法，并利用DPM技术来节省处理器空闲能耗。