Performance variation in digital systems
Authors: Νόλτσης Μιχαήλ 
Published: April 2023

Η βιομηχανία υπολογιστών βιώνει ολοένα κι αυξανόμενη (ανευ προηγουμένου)ζήτηση για αυξημένη λειτουργικότητα και επίδοση, χρησιμοποιώντας συνεχώς πυριτίο με όλο και μικρότερα μεγέθη χαρακτηριστικών και συντελεστή μορφής. Η επιθετική σμίκρυνση των συνιστωσών υλικού οδήγησε αναπόφευκτα σε νέους μηχανισμούς σφαλμάτων, τα οποία αποτελούν απειλή για την αξιοπιστία και την εύρυθμη λειτουργία του συστήματος. Τα σφάλματα αυτά μπορεί να οφείλονται στιςεύλογες διακυμάνσεις των χαρακτηριστικών και διαστάσεων των στοιχείων του κυκλώματος κατά την κατασκευή, ή να αποδίδονται στη γήρανση και τη σταδιακή φθορά του υλικού. Η εγγενώς στοχαστική φύση αυτών των μηχανισμών είναι η γενεσιουργός αιτία της αποκαλούμενης ‘διακύμανσης επίδοσης’ των ψηφιακών συστημάτων, υπό την έννοια ότι η συμπεριφορά κι απόκριση του συστήματος δενμπορεί να είναι απόλυτα ντετερμινιστική αλλά ενέχει και μια δυναμική συνιστώσα.Στα πλαίσια του δυναμικού αυτού περιβάλλοντος λειτουργίας του συστήματος, η διασφάλιση της αξιοπιστίας και η πλήρωση των χρονικών περιορισμών φαντάζει δύσκολη πρόκληση. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη υπαρχουσών μεθοδολογιών για τη μείωση της διακύμανσης επίδοσης και η ανάπτυξη σχετικών μεθόδων που μπορούν να διασφαλίσουν και να εγγυηθούν τους χρονικούς περιορισμούς. Στα πλαίσια αυτά, αρχικά θα παρουσιαστούν εν συντομία οι κυρίαρχοι μηχανισμοί σφαλμάτων που ευθύνονται για αστοχίες σε επίπεδο πυριτίου και επιδεινώνουν την αξιοπιστία του συστήματος. Η ενδελεχής μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας στον τομέα της αξιοπιστίας συστημάτων είναι σημαντική και για την εμπέδωση των σύγχρονων προσεγγίσεων και μεθόδωνελέγχου της αξιοπιστίας. Πιο συγκεκριμένα, θα μελετηθεί το ερευνητικό πεδίο της παραμετρικής αξιοπιστίας, δηλαδή οι τεχνικές προστασίας του συστήματος από ακραίες διακυμάνσεις των παραμέτρων λειτουργίας, ειδικά σε σχέση με τις χρονικές απαιτήσεις.Στη συνέχεια θα παρουσιαστεί ένα ρεαλιστικό σενάριο ενός PID ελεγκτή κλειστού βρόχου για τον περιορισμό της διακύμανσης επίδοσης μέσω μιας αντιδραστικής απόκρισης DVFS. Η ιδέα αυτή έχει μελετηθεί αλλά μόνο σε μικρή κλίμακα πιο συγκεκριμένα, η ενσωμάτωση της σε μια ολοκληρωμένη πλατφόρμα και η επέκτασή της για τη διαχείριση δυναμικού φόρτου εργασίας δεν έχει εξετασθεί. Το μοντέλο αυτό θα συγκριθεί ως προς κατανάλωση ενέργειας και χρονική απόκριση με το μοντέλο βάσης ενός ελεγκτή συχνότητας του λειτουργικού Linux. Επιπλέον θα προταθεί μια διαφοροποιημένη εκδοχή του μοντέλου για τη διαχείριση θερμότητας. Ο ελεγκτής αυτός υλοποιείται και πάλι με πραγματικό υλικό και παρουσιάζεται με ένα ρεαλιστικό σενάριο.Τελικώς, προτείνονται προληπτικοί χειρισμοί DVFS σε επίπεδο thread node, με χρήση δυναμικών σεναρίων για χρονικές εγγυήσεις με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Αξιοποιώντας τη μερική προβλεψιμότητα της συμπεριφοράς κάθε εφαρμογής, αναπτύσσεται μια προσέγγιση δυναμικών σεναρίων και καθίσταται εφικτή η λήψη οικονομικά αποδοτικών αποφάσεων DVFS. Τα αποτελέσματατης προσομοίωσης επιτυγχάνουν σημαντικά ενεργειακά οφέλη σε σχέση με προηγούμενες μεθόδους ελέγχου συχνότητας, ενώ τα πειραματικά αποτελέσματα της υλοποιηθείσας διάταξης καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου μοντέλου.