基本信息
- 項目名稱：
- 程序行為感知的異構(gòu)多核操作系統(tǒng)研究
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 簡介：
- 隨著處理器性能和速度的不斷提高，功耗和散熱成為未來高性能系統(tǒng)設(shè)計的重要挑戰(zhàn)，異構(gòu)多核處理器的概念應(yīng)運而生。市場上并無商用異構(gòu)多核處理器，主要原因是目前并無支持異構(gòu)的操作系統(tǒng)。本項目完全針對異構(gòu)多核環(huán)境，修改Linux-2.6.21內(nèi)核的負載均衡調(diào)度規(guī)則，使其能夠根據(jù)程序的行為和異構(gòu)核的頻率做程序到核的定向分配，真正實現(xiàn)了資源智能、合理應(yīng)用。該策略稱為“馬太負載均衡策略”。
- 詳細介紹：
- 隨著處理器性能、速度和并行度的提高，處理器功耗也隨之增加。功耗的增加和熱量不僅帶來更高的熱封裝及散熱成本，而且增加了出現(xiàn)故障的可能性，因此體系結(jié)構(gòu)研究人員針對降低功耗進行了大量深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)，程序的行為特性可分為cpu-intensive、memory-intensive、I/O-intensive。cpu-intensive 指程序具有很高指令級并行度和數(shù)據(jù)局部性，這類程序 CPU 利用率很高；而memory-intensive 和 I/O-intensive 卻存在訪存延遲和 I/O 延遲，使得 CPU 利用率不高，如果在快核上運行，性能提升不明顯卻浪費了功耗，如果在慢核上運行，性能不降或下降很少，卻節(jié)省了功耗。 為此，研究人員認為在多核處理器中引入不對稱性，分別迎合不同屬性的應(yīng)用程序，將是降低功耗、提高功效的有效方法，這種引入了不對稱性的多核處理器，稱之為異構(gòu)多核處理器（Heterogeneous CMP）或非對稱多核處理器(A-CMP，Asymmetric CMP)。 現(xiàn)有的操作系統(tǒng)都不支持異構(gòu)多核處理器，而是簡單地將處理器中所有的核看做相同的。為解決此問題，本項目在真實環(huán)境下通過DVFS降頻技術(shù)搭建真實異構(gòu)多核環(huán)境，在Linux-2.6.21內(nèi)核中加入對每個程序的行為特征分析，并修改其負載均衡調(diào)度策略，使其能夠根據(jù)程序的行為特性和異構(gòu)核的頻率做程序到核的定向分配，真正實現(xiàn)了資源智能、合理應(yīng)用。。該策略稱為“馬太負載均衡策略”，得名于“馬太福音”。實驗證明，在異構(gòu)環(huán)境下，采用“馬太負載均衡策略”的Linux內(nèi)核，其系統(tǒng)性能優(yōu)于原有Linux操作系統(tǒng)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 該論文是研究操作系統(tǒng)在支撐下一代異構(gòu)多核處理器中面臨的問題和挑戰(zhàn)。論文的基本思路為問題的提出、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、方案設(shè)計、實驗與評估、最后是總結(jié)。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 論文所研究的內(nèi)容是國際上計算機科學(xué)領(lǐng)域的前瞻性課題，Intel也在進行該課題研究，目的是為下一代異構(gòu)多核處理器提供操作系統(tǒng)支撐。本文的獨特之處在于將硬件性能計數(shù)與調(diào)度實現(xiàn)完美結(jié)合，并在真實異構(gòu)環(huán)境和linux操作系統(tǒng)中得到了實現(xiàn)，且實現(xiàn)了預(yù)期的效果。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 作品是為未來異構(gòu)多核處理器服務(wù)的，是異構(gòu)多核處理器能否商用的核心基礎(chǔ)，屬前瞻性課題。盡管現(xiàn)在還得不到應(yīng)用，但對將來異構(gòu)多核的推出、尤其是國產(chǎn)異構(gòu)多核的推出奠定了基礎(chǔ)。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 不同的程序之間甚至同一個程序運行時的不同階段常常表現(xiàn)出不同的行為特性，對于這種程序行為的多樣性，理論與實驗都已證明，使用異構(gòu)多核處理器比使用同構(gòu)多核處理器往往具有更好的性能功耗比，程序行為的差異越大，性能功耗比越明顯。異構(gòu)多核處理器的設(shè)計并不復(fù)雜，但所有的處理器廠商都沒有推出商用的異構(gòu)多核處理器，根本原因就在于目前操作系統(tǒng)不支持異構(gòu)多核。異構(gòu)和程序行為感知的多核操作系統(tǒng)是決定異構(gòu)多核處理器能否走向商用的關(guān)鍵，國際上有幾支課題組在進行此項研究，但基本上還處于探索階段。本文通過 DVFS 實現(xiàn)了頻率不對稱的異構(gòu)多核環(huán)境，在深入研讀 Linux 2.6.21 內(nèi)核與進程調(diào)度相關(guān)代碼的基礎(chǔ)上，針對異構(gòu)多核和程序行為分析實現(xiàn)了新的負載均衡調(diào)度規(guī)則，包括在內(nèi)核中使用硬件性能計數(shù)器動態(tài)分析程序行為，修改每個核的負載計算公式和負載均衡時任務(wù)遷移的規(guī)則。與原有研究工作相比，本文的優(yōu)勢在于軟硬件環(huán)境完全真實，并與原有調(diào)度機制保持兼容，實現(xiàn)方法簡介高效，幾乎沒有開銷。試驗結(jié)果顯示，不同屬性的程序基本按照預(yù)定的理想調(diào)度方案進行任務(wù)分配和負載均衡，且采用該負載均衡策略的操作系統(tǒng)的系統(tǒng)性能相比原有系統(tǒng)有所提升。
獲獎情況
- 該作品（英文論文）已被2011 12th ACIS Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing(SNPD 2011) 會議錄用。
鑒定結(jié)果
- （無）
參考文獻
- [1] R. Kumar, D. M. Tullsen, N. P. Jouppi, and P. Ranganathan, “Heterogeneous chip multiprocessors,” Computer, vol. 38, no. 11, pp. 32–38, 2005. [2] A. Fedorova, J. C. Saez, D. Shelepov, and M. Prieto, “Maximizing power efficiency with asymmetric multicore systems,” Communications of the ACM, vol. 52, no. 12, pp. 48–57, 2009. [3] T. Li, D. Baumberger, D. A. Koufaty, and S. Hahn, “Efficient operating system scheduling for performance-asymmetric multi-core architectures,” in Proceedings of the 2007 ACM/IEEE Conference on Supercomputing, 2007. [4] D. Koufaty, D. Reddy, and S. Hahn, “Bias scheduling in heterogeneous multi-core architectures,” in Proceedings of the 5th European conference on Computer systems, pp. 125–138, 2010. [5] A. Fedorova, D. Vengerov, and D. Doucette, “Operating system scheduling on heterogeneous core systems,” in Proc. Workshop on Op. Sys. Support for Heterogeneous Multicore Architectures, 2007.
同類課題研究水平概述
- 異構(gòu)多核處理器是學(xué)術(shù)界和企業(yè)界已經(jīng)形成廣泛共識的下一代多核處理器，Intel公司的前瞻研究實驗室在幾年前就開始了異構(gòu)多核操作系統(tǒng)的研究，國產(chǎn)龍芯CPU的總設(shè)計師胡偉武研究員在2010年中國計算機大會上也明確表示，未來也將研發(fā)異構(gòu)多核處理器。畢業(yè)于哈佛大學(xué)的Alexandra Fedorova教授是學(xué)術(shù)界在異構(gòu)多核調(diào)度領(lǐng)域最活躍的年輕學(xué)者。 盡管早在2003年就明確提出了異構(gòu)多核，但針對異構(gòu)多核操作系統(tǒng)的實驗性研究是最近兩三年才真正開始的，取得了一些研究成果，但存在缺陷，主要包括：異構(gòu)平臺采用模擬器搭建，無法真實反映異構(gòu)環(huán)境的情況；有些調(diào)度算法很難再內(nèi)核中實現(xiàn)或開銷過大；還有一些事用戶層模擬調(diào)度器，算法過于理想，且得不到真實環(huán)境的驗證?？傊?，目前關(guān)于這一課題的研究基本上還處于初期的探索階段，要最終形成成熟的應(yīng)用技術(shù)，還需要大量創(chuàng)新性和突破性的研究和細致的完善工作。
