动态电压频率调节对程序性能影响的预测

摘要

云计算和移动设备应用的迅猛增长，使得在给定功耗约束条件下获得更高的处理器性能成为现代处理器体系结构研究人员追求的主要目标之一。随着晶体管长度的不断减少，晶体管单位面积的功耗不再保持不变，这使得CPU的功耗逐渐增大。因此，优化处理器的性能/功耗比成为处理器体系结构设计的关键。而处理器功耗主要由动态功耗组成。现代CPU上提供的调节动态功耗的主要手段是动态电压频率调节(Dynamic Voltage Frequency Scaling，DVFS)。然而，电压频率调节可能会造成程序性能下降，并且由于不同的应用程序具有不同的运行时行为特征，DVFS的实际应用需要解决的一个关键技术问题是如何预测动态电压频率调节对程序运行时性能和功耗的影响。
　　本文针对现代商用处理器，建立动态电压频率调节对程序运行时性能和功耗影响的预测模型，用以指导设计更好的动态电压频率调节机制和程序运行时性能/功耗优化方法。
　　本文的主要研究工作和成果包含以下三点:
　　1.研究了访存延迟和访存流量随频率变化的情况，提出了在商用处理器上考虑DVFS引起程序访存流量和访存延迟变化的性能预测模型。现有的DVFS性能预测模型，大多基于模拟器，并使用到现有商用处理器性能监测单元没有提供的许多性能数据。而可以实现在现有商用处理器上的模型又没有考虑到程序的访存流量和访存延迟会随着频率的变化而发生变化，从而导致性能预测结果不准确。本文提出了基于商用处理器的DVFS性能预测模型，该模型使用现有商用处理器性能监测单元提供的性能数据，并考虑到访存延迟和访存流量随处理器频率变化的情况，以提供更准确的性能预测结果。
　　2.研究了处理器功耗在不同频率下的变化情况，提出了在商用处理器上考虑低频部分访存密集型程序功耗下降速度减缓情况的功耗预测模型。本文在分析不同类型的程序在不同频率下的功耗的基础上，结合CPU动态功耗计算方式，并考虑到部分访存密集型程序在低频率下的功耗下降速度变缓的问题，设计实现应用于商用处理器的功耗预测模型。
　　3.在商用处理器上使用上述模型实现了针对能耗优化的DVFS调节机制。通过在Intel Xeon E5-2660处理器上实现针对能耗优化的DVFS调节机制。
　　实验中，我们在Intel Xeon E5-2660上的虚拟机内部分别执行SPECCPU2006测试程序。实验结果表明我们的DVFS调节机制能够带来最高23％的能耗优化和平均6.85％的能耗优化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 功耗优化需求的提升

1．1．2 功耗问题出现的原因

1．1．3 处理器功耗组成介绍

1．1．4 ACPI介绍

1．1．5 DVFS介绍

1．2 DVFS使用中遇到的挑战

1．2．1 DVFS带来的性能损耗问题

1．2．2 程序行为特征问题

1．2．3 DVFS在受限的商用处理器上的应用

1．3 论文研究目标和主要工作

1．4 论文结构

第2章 相关工作

2．1 经典DVFS策略

2．1．1 系统层DVF'S

2．1．2 应用程序层DVFS

2．1．3 硬件层DVFS

2．2 结构分析性能预测模型

2．2．1 Stall-based模型

2．2．2 Leading load模型

2．2．3 CRIT+BW模型

2．3 本章小结

第3章 考虑访存延迟变化的DVFS性能预测模型

3．1 CPU提供的性能监测单元

3．2 性能监测单元的接口

3．3 基于商用处理器的DVFS性能预测模型

3．3．1 Green Governor模型

3．3．2 LL-MAB模型

3．4 访存延迟变化的实验观测

3．5 考虑访存延迟变化的性能预测模型

3．6 本章小结

第4章 针对能耗优化的DVFS调节机制

4．1 Linux内核提供的频率调节器

4．2 功耗预测模型

4．3 针对能耗优化的DVFS调节机制

4．3．1 Linux提供的调频接口

4．3．2 优化目标选择

4．3．3 DVFS调节流程

4．4 本章小结

第5章 实验评估

5．1 实验方法设计

5．1．1 实验平台

5．1．2 任务环境和测试程序

5．1．3 评价指标

5．2 实验结果分析

5．2．1 性能预测模型准确性分析

5．2．2 功耗预测模型准确性分析

5．2．3 eDVFS调节结果分析

5．3 本章小结

第6章 全文总结

6．1 研究工作和成果

6．2 主要创新

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

在读期间参与的科研项目