[发明专利]面向混合计算环境的功耗感知的并行应用调度系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及高性能计算软件节能技术领域，尤其涉及一种面向混合计算环境的功耗感知的并行应用调度系统及方法。

背景技术

随着计算机硬件成本大幅降低和Linux集群优势日益突出，高性能计算系统部署规模越来越大，但其对能源的巨大消耗也远远超过了人们的想象。据统计，一个每秒运行10亿次的超级计算中心的电费每年近400万元；一台服务器3年内所消耗掉的电量成本可能会超过服务器当初的采购成本。耗电量的增加，不但带来运行成本的增加，而且直接因为设备温度的增加造成器件寿命的缩短，使计算机的可靠性降低。根据保护国际（CI）的数据，400万元的用电量相当于每年向大气排放约5500吨的二氧化碳。因此，无论从经济、技术还是环境角度，有效的功耗管理将是高性能计算领域迫切需要解决的问题。

高性能计算领域的功耗管理主要集中在CPU，因为其承担的计算任务往往都是超出常规的海量计算。为解决CPU的高功耗问题，动态电压调整（DVS）是有效功耗设计的主要方向。DVS是根据处理单元工作状态调整功耗的有效方式：CMOS电路中供应电压的降低导致功耗的平方下降。异构体系结构是万万亿次级计算硬件的基础，可最大限度发挥并行处理的优势，但由于其资源计算能力和通信带宽的差异又增加了应用执行的复杂性。就功耗感知设计来说，异构系统的处理单元可能支持DVS技术（记为DVS处理单元），也有部分遗留处理单元不支持DVS技术（记为non-DVS处理单元）。本发明称这种既拥有DVS处理单元又拥有non-DVS处理单元的异构计算环境为混合DVS/non-DVS计算环境。

并行应用是高性能计算环境下典型的应用模型，其属于任务之间存在数据依赖的优先约束应用。以往并行应用调度方法主要集中在传统的调度指标，如最小化完成时间，最小化执行成本，负载均衡等，近来大家开始将兴趣转向调度中的功耗管理。功耗感知的调度是指在调度过程中考虑通过DVS和动态电源管理（DPM）等系统层节能手段降低应用执行所消耗的能量，即将能耗作为调度的评价指标之一。动态电源管理（DPM）主要通过关闭空闲的处理单元或者使处理单元处于休眠状态来降低由泄漏电流引起的静态能耗。

功耗感知的调度最早是无线传感器网络、嵌入式系统、移动系统需要考虑的主要问题，因为它们靠电池供电，不是一直有充足的电源供应。不同于以往领域，高性能计算系统功耗感知的调度不仅要节省应用消耗的电能，还要保证其调度性能的不降低或者最小降低。按照调度应用的不同，功耗感知的调度分为面向独立任务的调度和面向优先约束应用的调度。面向独立任务的功耗感知调度方法已被广泛提出，包括时间限制的能耗优化调度，能耗限制的时间优化调度，兼顾时间和能耗优化的调度和考虑静态能耗的调度等。国内面向独立任务的功耗感知调度主要针对基于DVS技术的独立周期性任务集合。优先约束应用一般抽象为依赖任务图，细分为控制依赖任务图和数据依赖任务图。面向控制依赖任务的调度完全不涉及任务之间的数据传输，其功耗感知调度目前已得到较完美的解决。

面向数据依赖任务的部分功耗感知调度方法在满足用户需求的同时很好地提高了系统的能耗有效性，但是仍存在一些局限性：

（1）多数方法要么单纯考虑支持DVS的系统，要么单纯考虑不支持DVS的系统，很少考虑混合DVS/non-DVS系统的调度。即使部分方法兼顾了系统的DVS/non-DVS混合性，但其面向具有到达时间、时间期限和利用率限制的独立实时任务，而非存在数据依赖的并行应用。

（2）多数方法忽略了通信能耗的优化或者通信时间段内计算能耗的进一步降低。以高性能计算为基础的现代科学领域是一个以数据为中心、计算密集、分析密集以及可视化密集的领域，如生物信息学、环境科学、天文学等，因此，高性能计算环境应更强调数据依赖和通信能耗的重要性。

（3）多数方法未考虑处理单元的静态能耗优化。随着芯片微型化和多核技术的发展，泄漏电流引起的静态能耗由于单位工艺尺寸内电子组件数的增加而呈指数增长。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种面向混合计算环境的功耗感知的并行应用调度系统及方法，它具有调度目标为在最小化应用执行时间的前提下，兼顾系统的DVS和non-DVS混合特性并尽可能大地降低应用的执行能耗，不仅包括任务执行时的计算能耗、通信能耗，还包括通信时间段和空闲时间段的静态能耗的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：