[论文解读] Seeking the Principles of Sustainable Software Engineering

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

Green IT and Sustainability被引用 4

一句话总结

本文提出将隐式并行编程范式作为可持续软件工程的基础原则，使应用程序能够一次编写并在多种平台上高效执行，实现性能和能效的优化。通过将计算与数据绑定解耦，该方法支持运行时的动态优化、故障隔离以及跨尺度的可重现性，解决了显式并行性长期存在的局限性。

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.

研究动机与目标

• 识别可持续软件工程的基础原则，以确保计算密集型应用程序的长期可维护性与可适应性。
• 解决显式并行编程的局限性，其因程序与数据的刚性绑定而限制了运行时优化与可重现性。
• 探索隐式并行编程范式如何使应用程序能够在异构、可扩展的平台上高效执行。
• 在科学软件系统中实现最大程度的可重现性、无限可扩展性以及可优化的能效。
• 建立一个支持动态资源适应与故障隔离的可持续软件工程框架。

提出的方法

• 采用隐式并行编程范式，将算法逻辑与数据放置及执行调度解耦。
• 设计应用程序以实现跨多样化处理平台的可移植性，无需重新实现。
• 利用运行时系统根据平台特性动态执行负载均衡与资源分配。
• 使用数据流与基于任务的抽象，实现执行顺序与数据移动的自动优化。
• 通过模块化、可组合的执行单元实现故障隔离机制。
• 在多种规模与硬件配置下评估系统行为，以验证可持续性属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何形式化软件工程原则，以确保高性能计算应用的可持续性？
• RQ2 隐式并行编程模型在实现跨平台可移植性与性能可移植性方面发挥何种作用？
• RQ3 显式并行性中程序与数据的刚性绑定在哪些方面阻碍了运行时优化与故障隔离？
• RQ4 如何系统性地优化跨多样化硬件平台的能效与可重现性？
• RQ5 哪些架构模式能够在保持性能与可靠性的同时支持无限可扩展性？

主要发现

• 隐式并行编程范式成功地将计算与数据绑定解耦，支持运行时的动态优化与改进的故障隔离。
• 采用隐式模型构建的应用程序在不同规模、多样化的硬件平台上表现出一致的性能与可重现性。
• 该方法通过允许运行时根据平台特定特性自适应，实现了可优化的能效。
• 通过抽象低层资源管理并支持自动负载分发，该模型实现了无限可扩展性。
• 该框架使应用程序只需编写一次，即可在异构系统上多次执行，且配置修改极少。
• 本研究证实，可持续软件工程需要超越性能的原则，包括可移植性、可重现性与能效。