[논문 리뷰] Optimizing the flash-RAM energy trade-off in deeply embedded systems

James Pallister, Kerstin Eder외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 07.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 정적 기반 블록 이동을 통해 플래시 메모리에서 램으로 선택된 기본 블록을 이동시켜 깊이 임베디드 시스템의 에너지 소비를 줄이는 컴파일러 최적화 기법을 제안한다. 정수선형계획법과 에너지 비용 모델을 사용하며, 평균 전력 소비를 최대 41% 감소시키고 총 에너지 소비를 최대 22% 줄이며, 수면 시간이 많은 워크로드에서는 배터리 수명을 최대 32% 연장한다. 이는 실행 시간 증가에도 불구하고 성립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장수 배터리 수명이 요구되는 깊이 임베디드 시스템에서 플래시 메모리의 높은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 스택 또는 데이터 저장 요구사항을 늘리지 않고 전체 시스템의 에너지 소비를 줄이기 위해.
• 실행 시간 증가가 수반되더라도 코드를 플래시에서 램으로 이동시켜 총 에너지 소비를 줄일 수 있는지 탐색하기 위해.
• 에너지 효율성을 기반으로 기본 블록을 지능적으로 선택하여 램에 배치하는 컴파일러 최적화를 개발하기 위해.

제안 방법

• 정수선형계획법을 사용하여 기본 블록을 플래시 또는 램에 배치할 경우의 에너지 비용을 모델링한다.
• 에너지 비용 모델을 통해 각 기본 블록에 대해 플래시 및 램 액세스의 상대적 에너지 효율성을 정량화한다.
• 총 에너지 소비를 최소화하기 위해 일부 기본 블록을 램으로 이동시키는 최적화를 수행한다.
• 데이터 레이아웃이나 스택 사용 방식을 변경하지 않음으로써 스택 및 데이터 저장 요구사항을 유지한다.
• ARM 마이크로컨트롤러에 배포하기 전에 코드를 변환하는 컴파일러 패스로 구현된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 코드 블록을 플래시에서 램으로 이동시키는 것이 깊이 임베디드 시스템의 총 시스템 에너지 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ2 실행 시간 증가라는 대가를 치르더라도, 정적 코드 배치를 통한 램 사용으로 인해 얼마나 많은 에너지 절감이 가능한가?
• RQ3 수면 시간이 많은 임베디드 워크로드에 이 최적화를 적용했을 때 가능한 최대 배터리 수명 연장은 어느 정도인가?
• RQ4 실제 임베디드 애플리케이션에서 램 액세스로 얻는 에너지 절감이 증가한 실행 시간을 상쇄할 수 있는가?

주요 결과

• 공통적인 ARM 마이크로컨트롤러에서 평균 전력 소비가 최대 41% 감소한다.
• 평가된 워크로드 전반에서 총 에너지 소비가 최대 22% 감소한다.
• 수면 시간이 많은 응용 프로그램에서는 에너지 소비 감소로 인해 배터리 수명이 최대 32% 연장된다.
• 실행 시간 증가가 발생하더라도 에너지 절감이 달성되며, 이는 총 에너지 소비가 주요 측정 기준임을 입증한다.
• 코드 이동 과정에서 스택 또는 데이터 저장 요구사항이 증가하는 것을 성공적으로 방지한다.