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高性能并行计算系统中低功耗资源管理的设计与研究

作　者: 董晶
导　师: 卢宇彤
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 低功耗高性能计算系统并行计算资源分配作业管理模拟
分类号: TP338.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

当前，高性能计算被广泛应用于高科技研究和诸多工业领域，以高性能计算为基础的计算科学得到了显著的发展。同时，需求的不断增加和对性能的苛刻要求给新一代的高性能计算系统的研究与设计带来了严峻的挑战。特别是随着处理器性能和系统规模的迅速提升，急剧增长的功耗严重限制了高性能计算系统的设计和使用。为有效管理系统功耗，提高系统的可靠性和可用性，最终降低高性能计算系统的拥有代价，低功耗技术已成为高性能计算领域的关键技术。上世纪90年代以来，大规模并行处理系统（massively parallel processing，MPP）和集群（Cluster）系统已成为高性能计算机主要的体系结构。在并行计算系统中，并行资源管理软件根据调度算法从作业队列中选择合适的作业，并为其分配和释放计算结点。传统的作业调度和资源管理主要关注两点：降低作业的平均等待时间和提高整个系统的利用率。然而，由于没有足够的作业负载，以及作业调度和资源分配策略无法充分利用系统资源，常常会有空闲资源浪费系统能耗的情况。针对以上问题，本课题分析了高性能并行计算系统负载与能耗的特点，并基于并行资源管理技术，设计了两类针对高性能并行计算系统的自适应功耗管理算法。两类功耗管理算法分别采用了限制资源分配和关闭空闲结点的方法。其中基于限制资源分配的算法根据系统利用率或作业平均slowdown的变化，自适应调整可用结点数目，并关闭非可用结点以节省系统能耗；关闭空闲结点的算法则根据结点的关闭间隔时间或请求和服务速率自适应调整结点的空闲时间阀值，并使空闲时间超出阀值的结点进入“睡眠”状态以节省系统能耗。实验使用来源于ParallelWorkloads Archive的负载对两类算法进行了测试，结果表明，两类算法均能在不违反性能限制的前提下，有效降低系统能耗。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-22
  1.1 高性能计算面临的功耗危机  11-15
    1.1.1 处理器性能和功耗的提升  12
    1.1.2 高性能计算系统规模和总体功耗的增长  12-15
    1.1.3 高功耗带来的危机  15
  1.2 高性能计算领域中“绿色计算”的兴起  15-18
    1.2.1 计算机节能法规和企业节能计划  16
    1.2.2 绿色网格（Green Grid）和 GREEN500  16-17
    1.2.3 绿色高性能计算机——Green Destiny  17-18
  1.3 研究背景和意义  18-19
  1.4 研究目标及内容  19-20
  1.5 论文结构  20-22
第二章相关研究  22-38
  2.1 高性能计算机体系结构  22-29
    2.1.1 高性能计算系统的特点  23-24
    2.1.2 典型高性能计算系统体系结构  24-29
  2.2 高性能计算系统的作业及资源管理  29-33
    2.2.1 作业管理和资源管理相关概念介绍  29-30
    2.2.2 作业调度策略  30-31
    2.2.3 开源并行系统资源及作业管理器 Slurm  31-33
  2.3 低功耗技术  33-38
    2.3.1 功耗与能耗的概念  33-34
    2.3.2 电路功耗原理  34-35
    2.3.3 低功耗技术接口  35
    2.3.4 性能及能耗评价标准  35-36
    2.3.5 低功耗技术在高性能计算领域的应用  36-38
第三章高性能计算系统负载及能耗分析  38-47
  3.1 监测与采样系统的设计与实现  38-42
    3.1.1 并行计算实时模拟  38-39
    3.1.2 系统的监测与采样  39-41
    3.1.3 测试负载  41-42
  3.2 高性能计算系统负载特点  42-43
  3.3 高性能计算系统能耗模型  43-47
第四章功耗管理算法的设计  47-62
  4.1 降低系统功耗对性能的影响  47-53
    4.1.1 系统能耗节省和性能影响分析  47-49
    4.1.2 系统能耗节省及性能影响测试  49-52
    4.1.3 减轻和控制节能对系统性能的影响  52-53
  4.2 关闭空闲结点的功耗管理算法  53-57
    4.2.1 限制关闭间隔周期的调整算法  53-55
    4.2.2 基于请求和服务速率的调整算法  55-56
    4.2.3 算法分析及比较  56-57
  4.3 限制可用结点的功耗管理算法  57-62
    4.2.1 基于系统利用率的调整算法  57-58
    4.2.2 基于slowdown 的调整算法  58-60
    4.2.3 算法分析及比较  60-62
第五章模拟测试系统的设计与实现  62-70
  5.1 模拟系统事件驱动机制  62-65
    5.1.1 事件类型及其概念  63
    5.1.2 系统事件和状态  63-64
    5.1.3 事件驱动过程  64-65
  5.2 模拟系统功能模块设计  65-66
    5.2.1 模块功能划分  65-66
    5.2.2 系统模块结构及关系  66
  5.3 模拟系统实现  66-70
    5.3.1 主要数据对象  67-68
    5.3.2 功能模块及其主要接口  68-70
第六章测试与结果分析  70-79
  6.1 测试环境与目标  70-71
    6.1.1 测试目标  70
    6.1.2 测试环境和负载  70-71
  6.2 模拟系统验证  71-74
    6.2.1 模拟系统性能测试  71-73
    6.2.2 模拟系统正确性验证  73-74
  6.3 功耗管理算法测试及结果分析  74-79
    6.3.1 限制可用结点功耗管理算法的测试  74-76
    6.3.2 关闭空闲结点功耗管理算法的测试  76-78
    6.3.3 算法比较及适用性分析  78-79
第七章结束语  79-81
  7.1 工作总结  79-80
  7.2 工作展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-86
作者在学期间取得的学术成果  86

高性能并行计算系统中低功耗资源管理的设计与研究

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