基于任务行为特征分析的热敏感操作系统技术研究

Thermal-aware control problem is a hot academic research issue in computer system in recent years. The topic aims to balance the system performance, fairness, power, temperature and other key parameters, combining with the operating system and architecture theory, researching the characteristics of the task behavior, thread grouping management and maintaining the state of affinity of the features and other critical theoretical and technology, achieving thermal-aware task and resource management in the operating system. The difference with the past researches is that: 1. Focused on the characteristics of the task behavior, first proposed the concept of the "feature event", portrayed the hot and cold characteristics of the thread and dependencies between the threads, abstracted task pattern according to feature event; 2. Proposed a new "thread group" concept, partitioned threads to thread group according to the characteristics of the task behavior, allocating hardware resources such as CPU and memory based on thread group; 3. First proposed the concept of "state affinity" of the features, reducing system power and temperature under the premise of ensuring system performance and thread fairness; 4. Based on the ideology of thread grouping management and maintaining state affinity, design task scheduling and resource allocation to achieve thermal-aware operating system. This project will promote and contribute to the system-level thermal management theory and technology research, enhancing our country innovation capability in this area.

计算机系统热敏感控制问题是近年来学术界研究的一个热点问题。本课题以平衡系统的性能，公平性，功耗，温度等关键参数为目标，结合操作系统和体系结构理论，研究任务行为特征分析、线程分组管理和保持功能部件状态亲等关键理论和技术，在操作系统中实现热敏感的任务和资源管理框架。与已有研究的差异在于：1.以任务的行为特征分析为研究重点，首次提出"功能事件"概念刻画线程的冷热特征和线程间的依赖关系，在此基础上抽象出任务模式；2.提出新的"线程组"的概念，按不同类型的任务模式进行线程分组，分配CPU和内存等硬件资源；3.首次提出"状态亲和性"的概念，在保证系统性能和线程公平性的前提下，降低系统关键部件的功耗和温度；4.基于线程分组管理和状态亲和性思想，设计热敏感的操作系统任务调度和资源分配算法。本项目对系统级热敏感控制理论和技术研究有重要推动和贡献，对提升我国在该领域的创新能力有重要的意义。

近年来，计算机系统的热敏感控制问题已经成为一个重要的学术研究热点，特别在大数据背景下，散热问题已成为数据中心的瓶颈。本课题以平衡系统的性能，公平性，功耗和温度等关键参数为目标，结合体系结构和操作系统理论，研究任务行为特征，线程组管理和保持功能部件状态亲和性等关键理论技术，在操作系统中实现热敏感的任务和资源管理框架。.本课题的主要研究内容包含四个方面：1. 首先提出“功能事件”的概念，功能事件即指系统中完成特定功能且具备比较稳定的非功能特性（如性能，功耗）的操作序列。基于功能事件进行系统的热敏感管理。2. 根据任务的功能事件分析，将类似的行为特征归并为多个“任务模式”，根据不同的任务模式进行任务调度和资源分配。3. 在多核系统结构下设计状态感知的能够保证性能和公平性的功耗/温度管理算法。包括实现操作系统的调度，工作负载的预测，芯片频率和状态调节等问题。4. 实现系统多目标优化的能效评估。即需要考虑系统性能，公平性，功耗和温度四个方面的平衡问题。.针对以上研究内容，本课题解决了两个关键问题：一是任务行为特征的刻画，二是设计高效的管理算法。本项目通过四年的研究工作，已经完成了项目计划的各个研究要点，通过多种手段从多个方面解决了任务行为特征刻画和设计高效管理算法两个关键问题。本课题的研究成果主要包含四个部分。1. 基于我们定义的功能事件进行系统的热敏感管理，通过理论分析和大量的实验验证，我们实现了以系统调用作为功能事件载体和以系统消息作为功能事件载体两种方式来进行功能事件指导的系统热敏感管理。2. 我们通过以任务分组的方式，实现了有热敏感意识的高效任务组调度器，从任务调度的方式优化了系统的热敏感管理。同时实现了基于频率亲和性，访存亲和性，和兼顾频率和访存亲和性的热敏感组调度器。3. 通过理论分析和实验指导，实现了利用动态时间片缩放的方式来平衡系统的性能，公平性，功耗和温度。4. 基于其他方式的用户行为分析方式，将集中在CPU和内存的热敏感管理扩展到了计算机系统的多个部件，实现了基于用户行为指导的屏幕，GPU，WIFI等部件的热敏感控制。.基于本课题的支持，我们共发表科技论文83篇，其中SCI收录31篇，EI收录51篇。