[論文レビュー] Seeking the Principles of Sustainable Software Engineering

Justin Y. Shi|arXiv (Cornell University)|May 18, 2014

Green IT and Sustainability被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、持続可能なソフトウェア工学の基盤原理解析として、暗黙的並列プログラミングパラダイムを提唱し、一度書いたアプリケーションを多様なプラットフォームで最適化されたパフォーマンスとエネルギー効率で効率的に実行可能にする。計算処理とデータバインディングの分離により、ランタイムにおける最適化、障害の隔離、スケールにわたる再現性が可能となり、明示的並列化における長年の制限を克服する。

ABSTRACT

Like other engineering disciplines, software engineering should also have principles to guide the construction of sustainable computer applications. Tangible properties include a) unlimited scalability, b) maximal reproducibility, and c) optimizable energy efficiency. In practice, we expect a sustainable scientific application should be written once and execute many times on multiple different processing platforms of different scales with optimized performance and energy efficiency. For more than two decades, explicit parallel programming/processing paradigms only focused on performance. Practices showed that the rigid program-data binding prohibited dynamic runtime resource optimization and fault isolation, making it difficult to reproduce applications in scale. This paper reports our practice and experiences in search of the first principles of sustainable software engineering for compute and data intensive applications. Specifically, we report our practice and experiences using implicit parallel programming/processing paradigms.

研究の動機と目的

• 計算集約型アプリケーションの長期的保守性と適応可能性を保証する持続可能なソフトウェア工学の基盤的原則を特定すること。
• 明示的並列プログラミングの制限を是正すること。これは、プログラムとデータのバインディングが固定されているため、ランタイム最適化と再現性が制限される。
• 暗黙的並列プログラミングパラダイムが、異種でスケーラブルなプラットフォーム上で効率的に実行可能であることを明らかにすること。
• 科学的ソフトウェアシステムにおいて、最大限の再現性、無制限のスケーラビリティ、最適化可能なエネルギー効率を達成すること。
• 動的リソース適応と障害隔離を支援する持続可能なソフトウェア工学のフレームワークを構築すること。

提案手法

• アルゴリズム論理とデータ配置、実行スケジューリングの分離を図る暗黙的並列プログラミングパラダイムの採用。
• 再実装を必要とせずに多様な処理プラットフォーム間でポータブルなアプリケーション設計。
• ランタイムシステムを活用し、プラットフォームの特性に基づいた動的ロードバランスとリソース割り当て。
• データフローとタスクベースの抽象化を用いて、実行順序とデータ移動の自動最適化を可能にする。
• モジュール型で合成可能な実行ユニットによる障害隔離メカニズムの実装。
• 複数のスケールとハードウェア構成においてシステムの挙動を評価し、持続可能性の特性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高パフォーマンスコンピューティングアプリケーションにおける持続可能性を保証するためのソフトウェア工学原則を形式化するにはどうすればよいか？
• RQ2 暗黙的並列プログラミングモデルは、クロスプラットフォームのポータビリティとパフォーマンスポータビリティをどのように実現するか？
• RQ3 明示的並列化における厳密なプログラム-データバインディングは、ランタイム最適化と障害隔離をどのように妨げるか？
• RQ4 多様なハードウェアプラットフォームにわたるエネルギー効率と再現性を体系的に最適化するにはどうすればよいか？
• RQ5 パフォーマンスと信頼性を維持しつつ、無制限のスケーラビリティを実現するアーキテクチャパターンは何か？

主な発見

• 暗黙的並列プログラミングパラダイムは、計算処理とデータバインディングを明確に分離し、動的ランタイム最適化と改善された障害隔離を可能にした。
• 暗黙的モデルを用いて構築されたアプリケーションは、スケールが異なる多様なハードウェアプラットフォームで一貫したパフォーマンスと再現性を示した。
• ランタイムにおけるプラットフォーム固有の特性への適応を許容することで、最適化可能なエネルギー効率を達成した。
• 低レベルのリソース管理を抽象化し、自動的な負荷分散を可能にすることで、無制限のスケーラビリティを実現した。
• フレームワークにより、異種システム間で再構成を最小限に抑え、一度書いたアプリケーションを複数回実行可能にした。
• 本研究では、持続可能なソフトウェア工学がパフォーマンスを超える原則、すなわちポータビリティ、再現性、エネルギー効率を含む必要があることを確認した。