組込みシステムにおける消費エネルギー最適化のためのスクラッチパッドメモリ管理技術

 
髙瀬 英希
京都大学 大学院情報学研究科・助教


[背景]社会全体の省エネルギーにつながる組込みシステムの消費エネルギー最適化の重要性
[問題]全体の約半分の消費エネルギーを占めるメモリに対して,スクラッチパッドメモリの活用
[貢献]省エネルギー化を実現する基盤ソフトウェア技術の確立

組込みシステムでは,消費エネルギーの最適化が非常に重要な課題となっている.性能や計算精度を保証しつつ消費エネルギーを削減することによって,運用コスト低減やシステム信頼性向上といったさまざまな意義深い利益が得られる.今日では,身の回りにあるほとんどの機械には,何らかの組込みシステムが搭載されている.このため,単体システムの消費エネルギーの削減は,社会全体での大きな省エネルギー効果に繋がる.

近年の組込みシステムにおいては,メモリが全体の約半分の消費エネルギーを占めている.そこで本研究では,小容量かつ高速なスクラッチパッドメモリ(SPM)の活用に着目する.SPMは,回路面積,実時間性および消費エネルギーの面で組込みシステムに適したオンチップメモリである.ただし,SPMは配置内容をシステム実行時に更新するハードウェア機構を内部に持たない.このため,SPMの配置内容はソフトウェアによって明示的に管理される必要がある.

本研究の目的は,キャッシュとSPMを組み合わせて一次メモリを構成する組込みシステムの省エネルギー化を実現することである.目的達成のため,SPMを効率良く管理する基盤ソフトウェア技術を確立する.

まず,組込みシステムにSPMを導入することの有効性を,システムの動作に依らず定常的に消費されるリーク電力も含めて評価した.リーク電力量は,最先端の半導体製造技術では増大傾向にある.これらのメモリにおいて評価実験を行い,リーク電力を考慮に含めてもなお,キャッシュとSPMを組み合わせたメモリ構成が有効であることを示した.

次に,組込みシステムのマルチタスク環境におけるSPM活用戦略(図-1)を提案した.提案する戦略は,コンパイル時にタスク毎・タスク間のSPM活用を同時最適化する.組込みシステム向けのタスクスケジューリング方式の性質に着目して最適化問題を整数線形計画問題に定式化し,最大で73%の消費エネルギーの削減を達成した.
 


図-1 コンパイラによるSPMの配置内容の決定

さらに,SPMの配置内容を実行時に効率良く管理するリアルタイムOS(図-2)を実装した.提案技術は,先述の活用戦略におけるSPM内容の入替えを,低メモリ量かつ低オーバヘッドで自動的に実現できる.実装成果の適用により,対象システムへハードウェアの追加やプログラムの変更を施す必要なく,システムの省エネルギー化を実現する.
 


図-2 リアルタイムOSによるSPMの実行時再配置

最後に,私がこれまで提案してきたSPM管理技術に加え,共同研究により提案した複数の最適化技術を統合した,多階層に跨る消費エネルギー協調最適化開発支援フレームワークを構築した.本フレームワークは,プロファイラおよびコンパイラによる設計時のタスク毎およびタスク間,リアルタイムOSによる実行時の3段階にて協調最適化を実現する.テレビ会議システムを例題とした評価を示すことで,研究成果の有効性と実用性の高さを立証した.

本研究では,組込みシステムの消費エネルギー最小化のためのSPM管理技術を提案し,それを実現する基盤ソフトウェア技術を実装した.本研究成果は,組込みシステム製品の消費エネルギー最適化の促進につながり,社会全体のエネルギー問題に貢献することが期待できる.
 (2012年8月31日受付)
 
取得年月日:2012年3月
学位種別 :博士(情報科学)
大  学 :名古屋大学

推薦文:(組込みシステム研究会)


論文は,組込みシステムにおける低消費電力化のためのスクラッチパッドメモリ管理技術に関する論文である.スクラッチパッドメモリを効果的に使用することで,プロセッサ,メモリシステムの消費エネルギーを最小化する技術を提案するだけでなく,さらに実用システムに適用可能なソフトウェア・ツールチェーンも開発した.

著者からの一言


本研究を進めるにあたって携わった産学連携共同研究プロジェクトでは,非常に貴重な経験を積むことができました.ご指導・ご助言いただいた先生方ならびに共同研究者の皆さまに,深く感謝致します.今後も,組込みシステム分野の発展と社会のグリーン・イノベーションに寄与できるよう,研究活動に尽力していく所存です.