[論文レビュー] Optimizing the flash-RAM energy trade-off in deeply embedded systems

James Pallister, Kerstin Eder+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2015

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

この論文では、整数型線形計画法とエネルギー消費モデルを用いて、フラッシュからRAMへの静的リロケーションにより、深く埋め込まれたシステムにおけるエネルギー消費を削減するコンパイラ最適化を提案する。実行時間の増加にもかかわらず、スリープが多いためのワークロードでは、平均消費電力を最大41％、総エネルギー消費量を最大22％削減でき、バッテリ寿命を最大32％延長できる。

ABSTRACT

Deeply embedded systems often have the tightest constraints on energy consumption, requiring that they consume tiny amounts of current and run on batteries for years. However, they typically execute code directly from flash, instead of the more energy efficient RAM. We implement a novel compiler optimization1 that exploits the relative efficiency of RAM by statically moving carefully selected basic blocks from flash to RAM. Our technique uses integer linear programming, with an energy cost model to select a good set of basic blocks to place into RAM, without impacting stack or data storage. We evaluate our optimization on a common ARM microcontroller and succeed in reducing the average power consumption by up to 41% and reducing energy consumption by up to 22%, while increasing execution time. A case study is presented, where an application executes code then sleeps for a period of time. For this example we show that our optimization could allow the application to run on battery for up to 32% longer. We also show that for this scenario the total application energy can be reduced, even if the optimization increases the execution time of the code.

研究の動機と目的

• 長期間にわたるバッテリ駆動が求められる、深く埋め込まれたシステムにおけるフラッシュメモリの高エネルギー消費を是正すること。
• スタックやデータ領域の使用量を増加させることなく、システム全体のエネルギー消費を低減すること。
• 実行時間が延びても、コードをフラッシュからRAMに移動させることで総エネルギー消費量を削減できるかどうかを検討すること。
• エネルギー効率を基準に、コンパイラ最適化により適切な基本ブロックを選別してRAMに配置する手法を開発すること。

提案手法

• 整数型線形計画法を用いて、基本ブロックをフラッシュまたはRAMに配置する際のエネルギー消費をモデル化する。
• エネルギー消費モデルにより、各基本ブロックのフラッシュアクセスとRAMアクセスの相対的なエネルギー効率を定量化する。
• 全エネルギー消費量を最小化するように、一部の基本ブロックをRAMに移動させる選択を行う。
• データレイアウトやスタック使用量を変更しないことで、スタックおよびデータ領域の使用量を維持する。
• ARMマイコンターゲット用にコード変換を行うコンパイラパスとして実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラッシュからRAMへの特定コードブロックのリロケーションは、深く埋め込まれたシステムにおける全システムエネルギー消費量の削減を可能にするか？
• RQ2 実行時間の増加というトレードオフを考慮した場合、静的コード配置によるRAM上への配置で、どの程度のエネルギー削減が達成可能か？
• RQ3 スリープ中心のワークロードにこの最適化を適用した場合、最大どれだけのバッテリ寿命の延長が可能か？
• RQ4 実世界の埋め込みアプリケーションにおいて、RAMアクセスによるエネルギー節約が、実行時間の増加を上回るか？

主な発見

• 共通のARMマイコン上で、平均消費電力を最大41％削減できた。
• 評価されたワークロード全体で、総エネルギー消費量が最大22％削減された。
• スリープが多いためのアプリケーションでは、エネルギー消費の低減によりバッテリ寿命が最大32％延びた。
• 実行時間が延びてもエネルギー節約が達成されたことから、全エネルギー消費量が主要な指標であることが示された。
• コード移行の過程でスタックやデータ領域の使用量が増加することを回避した。