專利名稱：一種同構(gòu)集群系統(tǒng)中基于動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計算機系統(tǒng)節(jié)能調(diào)度方法，特別是涉及ー種同構(gòu)集群系統(tǒng)中基于動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
集群是ー種并行分布式處理系統(tǒng)，由很多連接在一起的獨立計算機組成，像ー個単獨集成的計算資源一樣協(xié)同工作，對于用戶來說就像ー個獨立的計算系統(tǒng)。自20世紀90年代以來，隨著PC機性能的顯著提高和價格的日益下降，高速網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，以及集群軟件的日益成熟，集群系統(tǒng)已經(jīng)成為高性能計算的主流平臺，為計算密集型和通信密集型任務(wù)提供各種計算需求。
集群系統(tǒng)已經(jīng)在エ商業(yè)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，集群系統(tǒng)在提供強大計算能力的同時也消耗了巨大的能量。例如，IBM的Roadrunner功率為2483. 47千瓦，在第32屆五百強的排名中名列第一,雖然Cray Jaguar排名第二,而它的功率卻已高達6950. 60千瓦。據(jù)統(tǒng)計，2008年服務(wù)于互聯(lián)網(wǎng)的路由器、服務(wù)器、交換機、冷卻設(shè)施、數(shù)據(jù)中心等各種設(shè)備總共消耗8680億度電，占全球總耗電量的5. 3%。按照目前的增長趨勢，到2025年，IT行業(yè)平均能耗會達到2008年的5倍。巨大的能耗代價成為制約集群系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸，急需得到有效的解決。用有向無環(huán)圖(DAG, Directed Acyclic Graph)來表示并行任務(wù)調(diào)度問題一直是ー個研究熱點，并行任務(wù)調(diào)度問題已經(jīng)被證明是NP完全問題，在國內(nèi)外引起了廣泛的研究。調(diào)度的目標是要在滿足任務(wù)優(yōu)先約束關(guān)系的前提下，根據(jù)適當?shù)姆峙洳呗源_定ー種分派和執(zhí)行順序，將可并行執(zhí)行的任務(wù)合理分配到各處理機上有序地執(zhí)行，以達到減少總的執(zhí)行時間的目的?；诓煌恼{(diào)度策略，現(xiàn)有的調(diào)度方法主要可以分為三類表調(diào)度方法，聚簇調(diào)度方法，基于任務(wù)復制的調(diào)度方法。集群系統(tǒng)中的節(jié)能可以采取傳統(tǒng)的調(diào)度方法，運行流程也非常相似，只是在調(diào)度過程中綜合考慮了節(jié)能這一目標。其中，調(diào)度方法的選擇對于調(diào)度結(jié)果具有較大的影響，因為不恰當?shù)恼{(diào)度方法可能會使真正強大的計算能力得不到體現(xiàn)，甚至會降低系統(tǒng)性能，増加系統(tǒng)能耗。目前，現(xiàn)有的節(jié)能調(diào)度方法大多數(shù)是基于以上三種調(diào)度方法，再結(jié)合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS, Dynamic Voltage Scaling)、動態(tài)功耗管理(DPM, DynamicPower Management)、自適應(yīng)鏈路速率(ALR, Adaptive Link Rate)等節(jié)能技術(shù)來優(yōu)化處理器能耗和網(wǎng)絡(luò)能耗。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)是ー種新型硬件節(jié)能技木。其基本思想是在不影響處理器正常運行的情況下動態(tài)地調(diào)節(jié)處理器電壓和頻率，使得處理器不總以最高電壓工作，從而起到降低能耗的目的。目前絕大多數(shù)處理器都用CMOS技術(shù)制造，而且支持多種處理器頻率和電壓設(shè)置。CMOS電路的功耗正比于時鐘頻率和電壓的平方，即每個時鐘周期的能量消耗正比于電壓的平方。對于ー個任務(wù)來說，完成它所需要的時鐘周期是固定的，所消耗的能量與電壓的平方成正比，通過降低電壓就可以降低能耗。雖然時鐘頻率與電壓之間的線性關(guān)系，降低電壓會調(diào)低時鐘頻率，増加任務(wù)的完成時間，但可以利用任務(wù)的空閑時間降低處理器電壓和頻率，在不影響其他任務(wù)執(zhí)行的前提下可以降低系統(tǒng)能耗。在電壓調(diào)節(jié)過程中，電壓管理芯片能夠執(zhí)行微小的電壓調(diào)整，并且能在極短的時間內(nèi)(幾十微秒內(nèi))完成電壓的調(diào)整。目前，國內(nèi)外有關(guān)同構(gòu)集群系統(tǒng)環(huán)境下基于性能和能耗的研究主要有
美國辛辛那提大學的D. P. Agrawal等人在同構(gòu)集群系統(tǒng)中提出了一種基于任務(wù)復制的調(diào)度方法(TDS)，該方法盡可能地復制任務(wù)前驅(qū)以改進系統(tǒng)性能。電子科技大學的蘭舟等人通過對幾種典型的任務(wù)復制方法進行分析，提出了基于動態(tài)關(guān)鍵任務(wù)(DCT)的多處理器任務(wù)分配方法。DCT方法以克服貪心算法不足為要點，調(diào)度過程中動態(tài)計算任務(wù)時間參數(shù)，準確確定處理器的關(guān)鍵任務(wù)，以關(guān)鍵任務(wù)為核心優(yōu)化調(diào)度，逐步改善調(diào)度結(jié)果，最終取得最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果?；谌蝿?wù)復制的調(diào)度方法就是通過復制某個或某些任務(wù)到不同處理機上，消除具有約束關(guān)系的任務(wù)間的通信開銷，從而減少整個任務(wù)調(diào)度時間長度。該方法可以有效地降低任務(wù)調(diào)度長度，節(jié)省通信能耗，但同時也會增加復制任務(wù)的計算能耗，因此在節(jié)能調(diào)度中
需慎重考慮。美國奧本大學的宗子良等人針對任務(wù)復制所產(chǎn)生的額外能量開銷過高的問題，提出了一種基于任務(wù)復制的節(jié)能調(diào)度方法，該方法設(shè)置了一個閾值來控制任務(wù)復制，即選擇性地復制任務(wù)最佳前驅(qū)來平衡系統(tǒng)性能和能耗兩方面。山東大學的龔斌等人提出了ー種將聚簇調(diào)度方法和任務(wù)復制調(diào)度方法有效結(jié)合起來的節(jié)能方法，并利用DPM技術(shù)來節(jié)省處理器空閑能耗。印第安納大學的Wang提出了一種基于DVS技術(shù)的節(jié)能方法，該方法在不影響其他任務(wù)執(zhí)行的情況下，通過探索非關(guān)鍵任務(wù)的空閑時間來降低處理器電壓以節(jié)省能耗。紐約州立大學的Shekar所提出的EDLS的方法有利于低功耗處理器節(jié)省能耗，通過引入ー個成本因子來影響調(diào)度決策，并對能耗和所需的性能進行權(quán)衡。國防科技大學的賀小川等人提出了兩階段節(jié)能調(diào)度方法，先使用離線算法來計算每個任務(wù)的最優(yōu)處理器執(zhí)行速度，而后使用在線模擬調(diào)度方法來計算每個任務(wù)的延遲時間，從而動態(tài)判定處理器開啟/關(guān)閉時亥IJ。綜上所述，以往的調(diào)度方法大部分針對性能或能耗的某一部分(系統(tǒng)能耗包括處理器能耗和網(wǎng)絡(luò)能耗兩部分)進行了改進或優(yōu)化。存在的不足之處有①有的方法只考慮性能而完全忽略能耗；②有些基于任務(wù)復制的節(jié)能調(diào)度方法利用閾值對任務(wù)復制進行控制，但所給定的閾值是隨機設(shè)置的，不能根據(jù)并行任務(wù)和系統(tǒng)環(huán)境自適應(yīng)調(diào)節(jié)，導致調(diào)度結(jié)果不穩(wěn)定有的方法雖然既考慮了性能又考慮了處理器能耗，但忽略了網(wǎng)絡(luò)通信能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種同構(gòu)集群系統(tǒng)中基于DVS技術(shù)的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)度方法，該方法將基于自適應(yīng)閾值的任務(wù)復制調(diào)度方法與DVS技術(shù)結(jié)合起來，在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，可以有效地節(jié)省能耗。 本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟一、首先讀取并行任務(wù)有向無環(huán)圖DAG文件。ニ、獲取初始任務(wù)調(diào)度序列。對于并行任務(wù)集V，共有n=| Vl個任務(wù)，從出口任務(wù)%開始，計算每個任務(wù)的優(yōu)先級直至開始任務(wù)vI結(jié)束。然后根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級大小升序排列，獲取初始任務(wù)調(diào)度序列。三、獲取最佳閾值。首先，從初始任務(wù)調(diào)度序列的第一個任務(wù)開始遍歷所有任務(wù)，計算復制當前任務(wù)V,的最佳前驅(qū)(-(Vi))所增加的能耗moreenergy (等于的計算能耗減去它與K 之間的通信能耗)，以及復制任務(wù)所減少的時間lesstime，將能耗與時間比
記為ratio = ■—_IZ....，取ratio的最小值和最大值分別作為最小閾值min_threshold
和最大閾值max_threshold。然后，利用基于任務(wù)復制的分組策略求閾值分別為max_threshold和min_threshold - I時的任務(wù)調(diào)度長度即為最小調(diào)度長度和最大調(diào)度長度。最后，指定ー個能夠滿足用戶性能要求的調(diào)度長度，從min_threshold - I開始遍歷所有閾值，并利用基于任務(wù)復制的分組策略求當前閾值下的任務(wù)調(diào)度長度，直到所求得的調(diào)度長 度小于指定調(diào)度長度才結(jié)束遍歷，當前閾值即為最佳閾值。四、任務(wù)分組。從初始任務(wù)調(diào)度序列的第一個任務(wù)開始，執(zhí)行深度優(yōu)先搜索直到開始任務(wù)結(jié)束。任務(wù)搜索過程中，如果當前任務(wù)&.的最佳前驅(qū)未分組，則將其
分配給當前任務(wù)所在的分組，并標記為已分配，否則對是否復制進行權(quán)衡。如果復
制即れ)，則會增加復制任務(wù)的計算能耗，減少與v;.之間的通信能耗以及任務(wù)調(diào)度長度。假設(shè)減少的時間為lesstime (即減少的調(diào)度長度)，最終增加的能耗為moreenergy (等于Ap的計算能耗減去它與v,.之間的通信能耗)，倘若lesstime>0,而
且能耗與時間比ratio=小于等于最佳閾值，則將復制任務(wù)添加到當前
任務(wù)巧所在的分組，否則退出當前分組并選取初始任務(wù)調(diào)度序列中的第一個未分組任務(wù)進行下ー個分組。五、任務(wù)映射。從第一個分組開始，將各分組中的所有任務(wù)映射到任意一個未被占用的處理器上，并標記該處理器已被占用，如此循環(huán)下去直到所有分組全部被分配出去為止。六、處理器電壓調(diào)節(jié)。利用任務(wù)空閑時間確定任務(wù)在處理器上各個電壓下的執(zhí)行時間，使得產(chǎn)生的計算能耗最小，然后在任務(wù)執(zhí)行過程中動態(tài)調(diào)整處理器電壓并控制任務(wù)在相應(yīng)電壓下的執(zhí)行時間。本發(fā)明的特點是針對同構(gòu)集群系統(tǒng)中的能量優(yōu)化問題，將基于自適應(yīng)閾值的任務(wù)復制策略和DVS技術(shù)結(jié)合起來，在滿足系統(tǒng)性能要求的同時優(yōu)化系統(tǒng)能耗。首先，本發(fā)明中基于自適應(yīng)閾值的任務(wù)復制策略可以根據(jù)并行任務(wù)、系統(tǒng)環(huán)境(主要包括系統(tǒng)所提供的處理器和網(wǎng)絡(luò)參數(shù))以及用戶實際性能要求動態(tài)獲取ー個最佳閾值，提高了系統(tǒng)的靈活性；然后利用該閾值控制任務(wù)復制，即選擇性地復制任務(wù)的最佳前驅(qū)來平衡系統(tǒng)性能和能耗以獲取近似最優(yōu)分組，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；最后，將各分組分別調(diào)度到未被占用的處理器上，并通過探索任務(wù)之間的依賴關(guān)系所產(chǎn)生的空閑時間，利用DVS技術(shù)動態(tài)調(diào)整處理器電壓以進ー步節(jié)省處理器能耗。


附圖為本發(fā)明流程框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步的詳細描述。并行任務(wù)用戶提交的任務(wù)用有向無環(huán)圖DAG表示，定義為GR句。其中F= ( ,v2，…,v )表示包涵n個任務(wù)的任務(wù)集。對于V中的每個任務(wù),ti是任務(wù)Vj在處理器上以最高的電壓和頻率執(zhí)行所需的計算時間，CCi是任務(wù)Vj.的計算周期，它不隨處理器電壓的變化而變化，這里I < i < n。特別地，當任務(wù)3存在空閑時間吋，它可以被分為A個任 務(wù)塊レ# Vは...，riA}，每個任務(wù)塊在其對應(yīng)電壓匕下的執(zhí)行時間是Tik。E為消息集，eiJ= (Vi, Vj) eE表示任務(wù)1到任務(wù)^傳遞的消息，％表示傳遞消息所發(fā)費的通信時間。
此外，我們分別用繼(ズ)和表示任務(wù)Vi的后繼任務(wù)集合和前驅(qū)任務(wù)集合。系統(tǒng)資源一個同構(gòu)集群系統(tǒng)由若干個具有相同處理能力的處理器節(jié)點組成，記太P={Plぁ…,Pm],這些節(jié)點通過高速網(wǎng)絡(luò)相互連接起來。系統(tǒng)中的所有處理器均支持DVS技術(shù)，且每個處理器均擁有A個按從大到小順序排列的電壓值，記為代あ，■..乃},對
應(yīng)的頻率值記為丨/i，/2，…，/4}。
具體實施方式
按照以下步驟進行。一、讀并行任務(wù)有向無環(huán)圖DAG文件。ニ、獲取初始任務(wù)調(diào)度序列。對于并行任務(wù)集V，共有n= I V I個任務(wù)，從出口任襲開始，計算每個任務(wù)的優(yōu)先級直到開始任務(wù)巧結(jié)束。然后根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級大小升序排列，獲取初始任務(wù)調(diào)度序列。其中，任務(wù)％的優(yōu)先級定義如公式(I)所示。
權(quán)利要求
1.一種同構(gòu)集群系統(tǒng)中基于動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)度方法，其特征在于包括以下步驟 一、首先讀取并行任務(wù)有向無環(huán)圖DAG文件； ニ、獲取初始任務(wù)調(diào)度序列；對于并行任務(wù)集V，共有n=|V|個任務(wù)，從出ロ任務(wù)I開始，計算每個任務(wù)的優(yōu)先級直至開始任務(wù)h結(jié)束；然后根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級大小升序排列，獲取初始任務(wù)調(diào)度序列； 三、獲取最佳閾值；首先，從初始任務(wù)調(diào)度序列的第一個任務(wù)開始遍歷所有任務(wù)，計算復制當前任務(wù)V2.的最佳前驅(qū))所增加的能耗moreenergy (等予FP(Vi)的計算能耗減去它與ν 之間的通信能耗)，以及復制任務(wù)所減少的時間lesstime，將能耗與時間比記 為ratio =，取ratio的最小值和最大值分別作為最小閾值min_threshold和最大閾值max_threshold ;然后,利用利用基于任務(wù)復制的分組策略求閾值分別為max_threshold和min_threshold - I時的任務(wù)調(diào)度長度即為最小調(diào)度長度和最大調(diào)度長度；最后，指定ー個能夠滿足用戶性能要求的調(diào)度長度，從min_threshold - I開始遍歷所有閾值，并利用基于任務(wù)復制的分組策略求當前閾值下任務(wù)調(diào)度長度，直到所求得的調(diào)度長度小于指定調(diào)度長度才結(jié)束遍歷，當前閾值即為最佳閾值； 四、任務(wù)分組；從初始任務(wù)調(diào)度序列的第一個任務(wù)開始，執(zhí)行深度優(yōu)先搜索直到開始任務(wù)結(jié)束；任務(wù)搜索過程中，如果當前任務(wù)巧的最佳前驅(qū))未分組，則將其分配給當前任務(wù)所在的分組，并標記為已分配，否則對是否復制〃(Vi)進行權(quán)衡；如果復制〃(V,-)，貝IJ會增加復制任務(wù)的計算能耗，減少任務(wù)調(diào)度長度和W(Vi)與Vi之間的通信能耗；假設(shè)減少的時間為lesstime (即減少的調(diào)度長度)，最終增加的能耗為moreenergy (等于即( 的計算能耗減去它與V,之間的通信能耗)；倘若lesstimeX)，而且能耗與時間比ratio=小于等于最佳閾值，則將復制任務(wù)添加到當前任務(wù)^所在的分組，否則退出當前分組并選取初始任務(wù)調(diào)度序列中的第一個未分組任務(wù)進行下ー個分組； 五、任務(wù)映射；從第一個分組開始，將各分組中的所有任務(wù)映射到任意一個未被占用的處理器上，并標記該處理器已被占用，如此循環(huán)下去直到所有分組全部被分配出去為止； 六、處理器電壓調(diào)節(jié)；利用任務(wù)之間的依賴關(guān)系所產(chǎn)生的空閑時間，確定任務(wù)在調(diào)度處理器上各個電壓下的執(zhí)行時間，使得產(chǎn)生的計算能耗最小，然后在任務(wù)執(zhí)行過程中將任務(wù)執(zhí)行電壓調(diào)節(jié)到相應(yīng)的值并控制任務(wù)在各電壓下的執(zhí)行時間。
全文摘要
一種同構(gòu)集群系統(tǒng)中基于動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)度方法，具體步驟是讀取并行任務(wù)有向無環(huán)圖(DAG)文件；獲取初始任務(wù)調(diào)度序列；獲取最佳閾值根據(jù)并行任務(wù)、系統(tǒng)環(huán)境以及用戶性能需求動態(tài)獲取一個最佳閾值；任務(wù)分組利用最佳閾值對任務(wù)復制進行控制，即選擇性地復制任務(wù)的最佳前驅(qū)來平衡系統(tǒng)性能和能耗以獲取近似最優(yōu)分組；任務(wù)映射將各分組調(diào)度到未被占用的處理器上；處理器電壓調(diào)節(jié)利用任務(wù)空閑時間動態(tài)調(diào)整處理器電壓以節(jié)省處理器能耗。本發(fā)明綜合考慮了系統(tǒng)性能和能耗這兩方面的要求，其最佳閾值可以自適應(yīng)并行任務(wù)和系統(tǒng)環(huán)境，利用最佳閾值控制任務(wù)復制以獲取近似最優(yōu)分組，使得最終調(diào)度結(jié)果在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下盡量節(jié)省能耗。
文檔編號G06F9/50GK102650957SQ201210100769
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者劉偉, 尹行, 杜薇, 段玉光 申請人:武漢理工大學