Μηχανισμοί εξοικονόμησης ενέργειας σε κατανεμημένα συστήματα μεγάλης κλίμακας
Authors: Τερζόπουλος Γεώργιος 
Published: September 2021

Η ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας είναι μια από τις βασικές επιδιώξεις του ανθρώπου αυτήν την περίοδο. Οι λόγοι είναι κυρίως περιβαλλοντικοί αλλά και οικονομικοί. Το κόστος της ενέργειας αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου και η επιβάρυνση στο περιβάλλον λόγω του διοξειδίου του άνθρακα γίνεται όλο και μεγαλύτερη. Ένα μεγάλο μέρος της κατανάλωσης ενέργειας προέρχεται από τον κλάδο της πληροφορικής και τα συστήματα μεγάλης κλίμακας. Είναι γεγονός, ότι ένα σύστημα που καταναλώνει λιγότερη ενέργεια, παράγει λιγότερη θερμότητα και έτσι έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Έτσι, η μείωση στην θερμοκρασία λειτουργίας ενός εξαρτήματος αυξάνει την αξιοπιστία του.Ένα σημαντικό κομμάτι της ενέργειας που καταναλώνεται σε συστήματα υπολογιστών προέρχεται από την λειτουργία των επεξεργαστών. Για τον λόγο αυτό υπάρχουν δύο τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας στο επίπεδο των επεξεργαστών, η τεχνική Dynamic Voltage/Frequency Scaling (DVFS) και η τεχνική Dynamic Power Management (DPM). Σύμφωνα με την τεχνική DVFS, οι επεξεργαστές μπορούν όταν εκτελούν διεργασίες να βρίσκονται σε πολλές συχνότητες λειτουργίας ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος. Έτσι, οι επεξεργαστές έχουν την δυνατότητα να εκτελούν κάποιες διεργασίες σε χαμηλότερες συχνότητες, όταν η εκτέλεσή τους δεν είναι απαραίτητο να γίνει στην πιο γρήγορη ταχύτητα. Η τεχνική DPM τοποθετεί τους επεξεργαστές σε κατάσταση ύπνου, στην οποία καταναλώνεται ελάχιστη ενέργεια, όταν η επεξεργαστική τους ισχύς δεν είναι απαραίτητη την δεδομένη χρονική στιγμή. Με αυτόν τον τρόπο, σημαντικά ποσά ενέργειας μπορούν να εξοικονομηθούν από την εκμετάλλευση του χρόνου αδράνειας των επεξεργαστών.Συνήθως οι επεξεργαστές απενεργοποιούνται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα αδράνειας. Τα ζητήματα που προκύπτουν εδώ είναι το πότε θα απενεργοποιηθούν και για πόσο μεγάλο χρονικό διάστημα. Στα μεγάλης κλίμακας συστήματα πραγματικού χρόνου, ο φόρτος συχνά αποτελείται από διεργασίες που δεν επικοινωνούν μεταξύ τους και οι οποίες πρέπει ναεξυπηρετηθούν εντός κάποιας προθεσμίας, αλλιώς τα αποτελέσματά τους δεν είναι χρήσιμα. Σε αυτήν την περίπτωση, οι τεχνικές DVFS και DPM πρέπει να διασφαλίσουν ότι οι διεργασίες θα προλαβαίνουν να εξυπηρετηθούν. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής προτείνονται μηχανισμοί εξοικονόμησης ενέργειας βασισμένοι στις τεχνικές DVFS και DPM, για την καλύτερη εκτέλεση διεργασιών από πλευράς απόδοσης αλλά και κατανάλωσης ενέργειας. Επιπρόσθετα, προτείνονται μέθοδοι δρομολόγησης που λαμβάνουν υπόψη τους ενεργειακά κριτήρια. Οι επεξεργαστές των υπολογιστικών κόμβων χαρακτηρίζονται με βάση την κατανάλωση ενέργειας και την απόδοσή τους και οι πολιτικές δρομολόγησης εκμεταλλεύονταιαυτήν την πληροφορία κατά την προώθηση των διεργασιών για εξυπηρέτηση. Ακόμη, στα πλαίσια της διατριβής, προτείνονται τεχνικές εξισορρόπησης φόρτου που βασίζονται στην απόδοση αλλά και την ενεργειακή κατανάλωση των υπολογιστικών κόμβων συστημάτων μεγάλης κλίμακας. Η εξισορρόπηση του φόρτου βελτιώνει αποδεδειγμένα την απόδοση ενός συστήματος με μεταφορές διεργασιών ώστε να υπάρχει ισοκατανομή του φόρτου ανάμεσα στους υπολογιστικούς κόμβους. Οι τεχνικές εξισορρόπησης φόρτου που προτείνονται στη διατριβή, λαμβάνουν υπόψη τους τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των υπολογιστικών κόμβων και σκοπός τους είναι η αποφυγή της μεταφοράς διεργασιών σε πιο ενεργοβόρους επεξεργαστές κάτι που θα επηρέαζε σημαντικά την ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος. Οι βλάβες σε ένα σύστημα μεγάλης κλίμακας είναι ένα συχνό φαινόμενο. Μια κοινή πρακτική είναι η αντικατάσταση ενός επεξεργαστή που έχει βλάβη με έναν άλλοννέας γενιάς με μικρότερη ενεργειακή κατανάλωση. Έτσι, στη διατριβή αυτή εξετάζεται κατά πόσο αυτές οι αντικαταστάσεις ωφελούν το σύστημα και το κάνουν πιο «πράσινο» και αν επηρεάζεται σημαντικά η απόδοση του συστήματος. Ένα μεγάλο ποσοστό των διεργασιών που υποβάλλονται σε μεγάλα συστήματα είναι Bag-of-Tasks (BoT) εφαρμογές. Κάθε BoT, είναι μια συλλογή ανεξάρτητων διεργασιών που δεν επικοινωνούν μεταξύ τους κατά την διάρκεια της εκτέλεσής τους. Χρησιμοποιούνται στην αστρονομία, σε προσομοιώσεις Monte Carlo, στην επεξεργασία εικόνας και σε αναζητήσεις δεδομένων. Λόγω της σημαντικότητάς τους, η δρομολόγηση BoT και η μεγιστοποίηση της απόδοσης έχουν ερευνηθεί σε μεγάλοβαθμό από την επιστημονική κοινότητα. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνονται πολιτικές δρομολόγησης, μηχανισμοί DVFS αλλά και τεχνικές εξισορρόπησης φόρτου για τέτοιου τύπου εφαρμογές, λαμβάνοντας υπόψη και την κατανάλωση ενέργειας.Συνοψίζοντας, η συνεισφορά της διατριβής εντοπίζεται στην πρόταση μηχανισμών εξοικονόμησης ενέργειας κατά την εκτέλεση διεργασιών πραγματικού χρόνου και BoT σε μεγάλης κλίμακας συστήματα, χωρίς όμως να υποβαθμίζεται η απόδοση του συστήματος. Οι μηχανισμοί αυτοί εστιάζουν στις τεχνικές DVFS και DPM, καθώς και στην δρομολόγηση και μεταφορά των διεργασιών σε συστήματα μεγάλης κλίμακας.