[論文レビュー] Towards Eco-friendly Database Management Systems

Willis Lang, Jignesh M. Patel|ArXiv.org|Sep 9, 2009

Cloud Computing and Resource Management参考文献 4被引用数 54

ひとこと要約

この論文は、データベース管理システム（DBMS）におけるエネルギー効率の良いクエリ処理を実現するため、PVC（プロセッサ電圧およびクロック周波数スケーリング）とQED（クエリ実行分解）の2つの技術を導入する。PVCは、プロセッサのエネルギーを最大49％まで削減し、応答時間の増加はたった3％にとどまる。一方、QEDは単純な選択クエリにおいて、応答時間の43％増加を伴いながらも54％のエネルギー削減を達成し、エネルギー効率をデータベース管理システムの設計に体系的かつ効果的に統合可能であることを示している。

ABSTRACT

Database management systems (DBMSs) have largely ignored the task of managing the energy consumed during query processing. Both economical and environmental factors now require that DBMSs pay close attention to energy consumption. In this paper we approach this issue by considering energy consumption as a first-class performance goal for query processing in a DBMS. We present two concrete techniques that can be used by a DBMS to directly manage the energy consumption. Both techniques trade energy consumption for performance. The first technique, called PVC, leverages the ability of modern processors to execute at lower processor voltage and frequency. The second technique, called QED, uses query aggregation to leverage common components of queries in a workload. Using experiments run on a commercial DBMS and MySQL, we show that PVC can reduce the processor energy consumption by 49% of the original consumption while increasing the response time by only 3%. On MySQL, PVC can reduce energy consumption by 20% with a response time penalty of only 6%. For simple selection queries with no predicate overlap, we show that QED can be used to gracefully trade response time for energy, reducing energy consumption by 54% for a 43% increase in average response time. In this paper we also highlight some research issues in the emerging area of energy-efficient data processing.

研究の動機と目的

• 運用コストの上昇と環境問題への懸念が高まる中、データベースシステムにおけるエネルギー効率の向上が急務であるという要請に対応すること。
• エネルギー消費をクエリ処理の最優先のパフォーマンス目標として扱い、後から考えるのではなく、設計段階から統合すること。
• DBMSがクエリの正しさや使いやすさを損なわずにエネルギー消費を削減できる実用的な技術の設計と評価を行うこと。
• 実際のデータベースワークロードにおいて、パフォーマンスを犠牲にしてエネルギー節約を達成する可能性を検討すること。
• 今後のDBMS開発におけるエネルギー効率の良いデータ処理のための主要な研究課題を特定し、強調すること。

提案手法

• PVCは、クエリ実行中に動的電圧周波数スケーリング（DVFS）のハードウェア支援を活用し、プロセッサの電圧と周波数を低電力状態に動的に調整することで、プロセッサのエネルギー消費を削減する。
• QEDは、ワークロード内の複数のクエリに共通する部分式を特定し、中間結果を再利用することで、重複計算とエネルギー消費を削減する。
• これらの技術は商用DBMSおよびMySQLに統合され、実ハードウェア上で制御された実験が可能になった。
• エネルギーとパフォーマンスのメトリクスを、さまざまな設定下でのクエリ実行中に収集し、トレードオフを測定した。
• システムはクエリの応答時間とプロセッサのエネルギー消費を監視し、パフォーマンスとエネルギーのトレードオフを定量的に評価した。
• スケーラビリティと有効性を評価するために、複雑なクエリと単純なクエリの両方のワークロードで実験が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロセッサの電圧および周波数スケーリングは、DBMSのクエリ処理におけるエネルギー消費削減に効果的に利用できるか？
• RQ2 クエリレベルの最適化によって、共通する計算コンponentsを再利用することで、エネルギー消費をどの程度削減できるか？
• RQ3 実際のDBMSワークロードにPVCおよびQEDを適用した際のパフォーマンスとエネルギーのトレードオフはどの程度か？
• RQ4 これらの技術は、特に重複する述語を持つクエリに対して、どのようにスケーリングするか？
• RQ5 DBMS設計においてエネルギー効率を最優先の目標として統合するにあたり、どのような主要なシステムレベルの課題が生じるか？

主な発見

• 商用DBMSにおいてPVCは、応答時間の3％増加を伴いながらも、プロセッサのエネルギー消費を49％削減した。
• MySQLでは、PVCによりエネルギー消費を20％削減し、パフォーマンスへの影響は6％増加にとどまった。
• 重複する述語のない単純な選択クエリにおいて、QEDは平均応答時間の43％増加を伴いながらも、エネルギー消費を54％削減した。
• 結果から、共通するクエリコンponentを持つワークロードでは、管理可能なパフォーマンスのトレードオフでエネルギー節約が達成可能であることが示された。
• 本研究は、既存のハードウェアとソフトウェア抽象化を用いても、エネルギーに配慮したクエリ処理が実現可能で効果的であることを確認した。
• 著者らは、エネルギー効率の良いデータ処理における未解決の研究課題を特定し、ワークロードモデリングやランタイム適応戦略を含むものとした。