[論文レビュー] TANGO: Transparent heterogeneous hardware Architecture deployment for eNergy Gain in Operation

Karim Djemame, Django Armstrong+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

TANGO は、ワークロード、パフォーマンス、サービス品質要件に応じた動的適応を統合することで、設計、デプロイ、実行時を含むアプリケーションライフサイクル全体にわたりエネルギー効率を最適化する、透徹的で自己適応型の参照アーキテクチャを提示する。主な貢献は、統合されたツールキットとランタイム適応を備えた、一貫したデバイスに依存しないフレームワークであり、組み込みから HPC 環境に至る多様なシステムにおけるエネルギー効率の高い実行を可能にする。

ABSTRACT

The paper is concerned with the issue of how software systems actually use Heterogeneous Parallel Architectures (HPAs), with the goal of optimizing power consumption on these resources. It argues the need for novel methods and tools to support software developers aiming to optimise power consumption resulting from designing, developing, deploying and running software on HPAs, while maintaining other quality aspects of software to adequate and agreed levels. To do so, a reference architecture to support energy efficiency at application construction, deployment, and operation is discussed, as well as its implementation and evaluation plans.

研究の動機と目的

• IoT、CPS、HPC システムで使用される異種並列アーキテクチャ（HPA）におけるエネルギー消費の増大という課題に対処すること。
• パフォーマンス、信頼性、時間的制約の観点を損なわずに、ソフトウェア開発者がエネルギー効率を最適化できるように支援すること。
• ハードウェアの異種性とソフトウェアのエネルギー意識的な設計の間のギャップを、ライフサイクル統合型の包括的アーキテクチャによって埋めること。
• 組み込みからデータセンタースケールのシステムまで、多様なプラットフォームにわたり、透明でデバイスに依存しないアプリケーションデプロイメントを可能にすること。
• エネルギー効率と KPI に焦点を当てた、設計時モデリング、プロファイリング、ランタイム適応を統合したツールを提供すること。

提案手法

• 自己適応型ソフトウェア集積システムの要件工学および設計モデリングに、エネルギー意識的な原則を統合する。
• CPU、GPU、FPGA、SoC など、異種デバイス間で動作するアプリケーションモデリング、デプロイ、ランタイム適応のための階層的参照アーキテクチャを採用する。
• 実時間の KPI（消費電力、パフォーマンス、遅延など）に基づいてコード実行を監視・再構成する管理コンponentを通じて、ランタイム適応を実現する。
• 変換およびコンパイル技術を用いた自動的アプリケーションバージョン生成を支援し、特定のハードウェアターゲット向けの最適化を可能にする。
• ハードウェアの多様性を抽象化する透明な仮想化レイヤーを組み込み、デバイスに依存しないデプロイメントと効率的なリソース利用を実現する。
• 既存の IDE やツールチェーンとの統合を想定した設計であり、設計時およびランタイムにおけるプロファイリングとパフォーマンス分析のサポートを備える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種並列アーキテクチャ上でのソフトウェア開発およびデプロイの全ライフサイクルに、エネルギー効率を体系的に統合する方法は何か？
• RQ2 エネルギー、パフォーマンス、サービス品質を最適化しつつ、透明でデバイスに依存しないデプロイメントを実現するためのアーキテクチャ的コンponentsおよび適応メカニズムは何か？
• RQ3 ソフトウェア開発ツールは、エネルギー意識的な設計、プロファイリング、ランタイム適応を支援するためにどのように拡張可能か？
• RQ4 異種システムにおけるエネルギー効率、パフォーマンス、時間的制約、信頼性の間にはどのようなトレードオフがあり、それらはどのように管理できるか？
• RQ5 自己適応メカニズムは、組み込みから HPC まで多様なハードウェアプラットフォームにどのように適用可能か。その際、アプリケーションの移植性と効率性を維持できるか？

主な発見

• 提案された TANGO アーキテクチャは、統合されたモデリングおよび適応コンponents を通じて、設計からランタイムまでアプリケーションライフサイクル全体にわたりエネルギー意識的な最適化を可能にする。
• アーキテクチャは、CPU、GPU、FPGA、SoC を含む多様な異種プラットフォームにわたり、移植性のためのアプリケーションレベルの変更なしに透明なデプロイメントをサポートする。
• ランタイム適応メカニズムは、消費電力、パフォーマンス、遅延などの実時間 KPI を基に、アプリケーション実行を動的に再構成し、最適な運用を維持する。
• コンパイルおよび変換技術を用いた自動的最適化アプリケーションバージョン生成をサポートし、手動チューニングの負荷を低減する。
• 既存の開発ツールおよび IDE との拡張性と相互運用性を備えた設計であり、産業界のソフトウェア工学ワークフローへの統合を可能にする。
• 実世界のデプロイメントシナリオでのアーキテクチャ有効性を検証するため、2 つの産業界の事例研究を用いた評価計画を実施中である。