异构众核芯片的可扩展全局功耗管理机制与算法研究

The many-core chip can provide high degree of parallelism for its applications hence becoming a very hot research topic of high performance computing,but the dynamic heterogeneity and power management are especially challenging due to its unpredictability. The runtime task scheduler and globle power manager must be nimble enough to handle such random heterogeneity to maintan effectively computing. This research intends to design a PMC-based power model provide accurate power consumption estimation, component-based power consmption and the capacity of responsiveness. In addition, taking account of the low energy requirements and random heterogeneity of the system, this research intends to design a new hierarchical global power management mechanism and variation-aware task scheduling algorithm based on the above model. The performance of many-core chip with dynamic heterogeneity can maintain in a usable level by benefiting from above power management and run-time thread scheduling. Finally, all these research results will be validated and tested on the numerical simulation, FPGA-based emulation and many-core chip experimental platform.

众核芯片及系统可为应用程序提供高度并行性而成为高性能计算领域的研究热 点，但芯片的动态异构性和功耗管理问题颇具挑战。运行时的任务调度和功耗管理器需要快速适应芯片的变化来保证计算效能。本研究针对众核芯片处理器内核数量不断增加的特点，基于芯片内部程序性能计数器（PMC）设计具有良好准确性、可分解性、适应性和响应特点的功耗模型。然后针对众核芯片所面临的动态异构性设计功耗敏感运行时调度算法，并进一步构建层次化全局功耗管理机制。使用层次化的方式实现芯片级的可扩展功耗管理、内核级的任务映射与功耗规划、以及运行时线程调度，使众核芯片在面临动态异构性时，在给定功率预算约束下保持一个高效能的计算水平。最后，我们将集成阶段性研究成果，通过数值模拟、基于FPGA仿真平台和原型系统实测平台对所提算法和机制进行验证。

异构多核系统可为应用程序提供高度并行性，但如何利用其各个层面的异构性进一步提升计算效能的依然颇具挑战。应用程序和任务需要依据异构多核处理器不同计算内核和结构的特点对体系结构级的特征进行感知，并且系统应该能在设计时或者运行时根据感知信息对任务调度和功耗管理进行调整和优化。本项目从几种典型的异构多核系统的结构特征入手，针对嵌入式系统、信息物理系统和高性能计算等应用领域的特点，在建模方法、专用算法的软硬件协同设计和多核程序调度等多个方面进行了研究和探索。考虑到信息物理系统本质上的异构性和复杂性，提出一种从原始离散化数据出发建立连续化系统模型的新建模方法，通过反馈控制实现物理事件与计算系统之间的深度融合。针对集成了FPGA类型可重构单元的异构多核系统，重点研究了功耗约束条件下通信敏感的实时任务调度和关键算法在可重构计算单元上的优化设计问题。进一步针对对规模较大的异构多核系统研究了功耗敏感的任务调度和应用问题，提出了基于复制的功耗敏感调度算法、基于权重的自适应调度算法和动态异构性敏感的调度算法。针对信息物理系统和高性能计算两类典型的异构多核系统应用场景，研究了混合关键系任务动态调度和储存系统感知调度，提出了混合关键级多DAG动态调度算法和存储系统放置策略。.本项目针对如何进一步提升异构多核系统的计算效能，基于多种异构多核平台在系统建模、软硬件协同设计与应用开发和低功耗多核处理器任务调度算法等方面进行了探索，并进一步针对信息物理系统和分布式并行系统中的任务调度和放置策略进行了深入研究，取得了一系列重要研究成果。项目组发表研究论文14篇、教学论文1篇、申请发明专利3项、软件著作权1项、获科技奖励1项，完成预期研究成果，为进一步提升异构多核系统的计算效能做出有益贡献。