[发明专利]一种基于DVFS技术的大规模并行任务节能调度方法

说明书

技术领域

本发明属于分布式计算领域，具体涉及一种基于DVFS技术的大规模并行任务节能调度方法，用于解决大规模并行任务在数据中心等环境中的能耗问题。

背景技术

随着云计算技术的兴起，作为其基础设施的大规模分布式处理系统(比如数据中心和集群等)，开始了不断建设并已经在工业界得到广泛而深入的应用，逐渐成为了高性能计算的主流平台。然而，云计算平台在提供强大的计算能力的同时也带来了能耗开销巨大的问题。根据EPA(Environment Protection Agency)报告，2006年美国数据中心的总能耗已达到614亿KWh，相比2000年翻了一番(请参考U.S.E.P.Agency，“Report to congress on server and data center energy efficiency public law，”2007。)。高速增长的能耗开销已经成为云计算平台发展的瓶颈，急需得到有效的解决。

动态电压频率调节(Dynamic Voltage and Frequency Scaling，DVFS)技术是目前计算机系统低功耗设计中常用的节能技术。DVFS技术利用了CMOS电路特性：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，只有降低电压才能减少能量开销。但是由于时钟频率与电压的线性关系，降低电压会减少时钟频率，增加任务完成时间，导致性能下降(请参考Mudge T.Power：A first class design constraint for future architecture[C].Proceedings of the 7th International Conference onHigh Performance Computing，2000。)。可见，DVFS技术是以延长执行时间为代价来达到减少能量消耗的目的，是功耗和性能之间一种权衡。分布式处理系统中服务器的负载经常是不均衡且动态变化的，利用DVFS技术的特点进行任务调度可使得服务器系统在不影响服务能力的情况下最大限度降低整个系统的能量开销。

并行任务是分布式处理系统中最重要的应用类型。目前利用DVFS技术的并行任务节能调度一般包含如下两个步骤：1)任务映射；2)电压调节。文献1(请参考V.Shekar and B.Izadi，“Energy aware scheduling for dag structured applications on heterogeneous and dvs enabled processors，”in Green Computing Conference，2010 International.IEEE，2010，pp.495-502)首先在服务器处理器最优性能/最高电压下进行任务映射，然后利用贪婪式的方法降低任务的执行电压以减少任务功耗；文献2(请参考H.Kimura，M.Sato，Y.Hotta，T.Boku，and D.Takahashi，“Emprical study on reducing energy of parallel programs using slack reclamation by DVFS in a power-scalable high performance cluster，”in Cluster Computing，2006 IEEE International Conference on.IEEE，2006，pp.1-10)同样先是在处理器最优性能下进行任务分配，然后通过局部考虑任务间依赖关系寻求任务电压调节策略的局部最优值；以上方法在进行电压调节时都缺乏考虑全局信息，仅从局部信息进行电压调整，因此其节能效果仍不是最优效果。与上述两种方法不同，文献3(Y.Lee and A.Zomaya，“Energy conscious scheduling for distributed computing systems under different operating conditions，”Parallel and Distributed Systems，IEEE Transactions on，no.99，pp.1-1，2011)并不将任务映射与电压调节进行严格阶段区分，其提出了一个任务性能和能耗开销的综合目标函数，通过帕累托最优的方法同时决定任务的执行位置及执行电压，该方法在能耗开销上取得了很好的效果，但仍存在执行性能无法动态调节，不能满足用户动态需求的问题。

发明内容