[論文レビュー] Towards Energy Consumption Verification via Static Analysis

Pedro López-García, Rémy Haemmerlé+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2015

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、入力データサイズの関数としてエネルギー消費仕様の境界を証明または反証できるように特化されたCiaoPPシステムを用いた、組み込みプログラムにおけるエネルギー消費仕様を検証する静的解析フレームワークを提示する。このアプローチは、エネルギー予算が満たされる条件を推論し、実行時測定を伴わずに開発者がエネルギー効率を最適化するためのプログラムパラメータを解析的に特定することを可能にする。

ABSTRACT

In this paper we leverage an existing general framework for resource usage verification and specialize it for verifying energy consumption specifications of embedded programs. Such specifications can include both lower and upper bounds on energy usage, and they can express intervals within which energy usage is to be certified to be within such bounds. The bounds of the intervals can be given in general as functions on input data sizes. Our verification system can prove whether such energy usage specifications are met or not. It can also infer the particular conditions under which the specifications hold. To this end, these conditions are also expressed as intervals of functions of input data sizes, such that a given specification can be proved for some intervals but disproved for others. The specifications themselves can also include preconditions expressing intervals for input data sizes. We report on a prototype implementation of our approach within the CiaoPP system for the XC language and XS1-L architecture, and illustrate with an example how embedded software developers can use this tool, and in particular for determining values for program parameters that ensure meeting a given energy budget while minimizing the loss in quality of service.

研究の動機と目的

• 組み込みプログラムにおけるエネルギー消費境界（上限および下限を含む）の形式的検証を可能にする。
• エネルギー境界が入力データサイズの関数として表現されるような仕様をサポートする。
• エネルギー仕様が成立または失敗する入力サイズの区間を正確に推論し、安全なパrameterチューニングを可能にする。
• 開発者がエネルギー予算を満たしつつ、サービス品質の低下を最小限に抑える最適なプログラムパラメータを特定できるようにする。
• 一般リソース検証フレームワークを組み込みシステム向けエネルギー固有の解析に拡張する。

提案手法

• 静的解析のため、XCソースコードをホルン節中間表現（HC IR）に変換する。
• CiaoPPフレームワークを用いて、抽象解釈に基づくリソース使用量解析を実行する。
• エネルギー消費境界を入力データサイズの関数として表現し、区間ベースの検証を可能にする。
• 「check」と「trust」のプリミティブを用いて、エネルギー制約を指定および検証するアサーションベースの検証を適用する。
• 入力サイズの区間に関する制約を解き、エネルギー境界が満たされる条件を特定する。
• エネルギーモデルと静的比較器を統合し、入力ドメイン全体にわたってエネルギー仕様が証明可能または反証可能であることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的解析を用いて、組み込みプログラムが指定されたエネルギー消費境界を満たしていることを形式的に検証できるか？
• RQ2 境界が入力データサイズに依存する場合、エネルギー使用量仕様はどのように表現され、検証されるか？
• RQ3 エネルギー仕様が成立または失敗する条件（入力サイズの区間として）は何か？
• RQ4 検証システムは、パフォーマンス劣化を最小限に抑えながらエネルギー予算を満たすパrameter値を推論できるか？
• RQ5 多項式、指数関数的、対数的などの複雑なエネルギー関数に対しても、このアプローチはスケーラブルか？

主な発見

• フレームワークは、入力データサイズの関数としての区間で表現されたエネルギー消費仕様を正常に検証できた。
• ツールは特定の入力サイズの区間についてエネルギー境界を証明または反証でき、仕様が成立する正確な条件を提供した。
• エネルギー仕様には上限および下限の両方が含められ、エネルギー使用量プロファイルの包括的検証が可能になった。
• このアプローチにより、高コストな実行時実験を回避して、エネルギー予算を満たすプログラムパラメータを解析的に特定できるようになった。
• CiaoPP内でのプロトタイプ実装により、組み込みソフトウェア開発における実用的妥当性と実現可能性が示された。