Performance Analysis and Resource Management Based on Dynamic Hardware Monitoring Towards Energy-efficient Computer Systems

 近年，コンピュータ（計算機システム）はスマートフォンなどのモバイル端末から，大規模なデータ処理を行うクラウドサーバまで，さまざまな場所で活用されている．計算機の普及が進む一方で消費エネルギーの増加が問題となっており，高い処理性能と省エネルギー性能を両立する計算機システムの実現が求められている．しかし，これまで計算機の高性能化と省エネルギー化を支えてきたCPU素子やメモリセルの微細化は限界が近づいており，CPUやDRAMなどの従来のコンピュータデバイスの性能向上は期待できなくなっている．

 計算機のさらなる高性能化と消費エネルギー削減を実現するため，FPGAなどのアクセラレータや不揮発性メモリといった新しい省電力なハードウェアデバイスが提案されている．これらの新デバイスは高い処理性能や省電力性能を持つ一方で，従来のデバイスとは異なるハードウェア特性がその性能を低下させる課題がある．たとえば，不揮発性メモリはDRAMよりもデータの書き込みが遅いために，データ書き込みを多く行うアプリケーションに対して割り当てると実行時間が増加し，結果として計算機全体の消費エネルギーが増加してしまう．このような省電力デバイスを最大限に活用するためには，実行するアプリケーションの挙動に適したデバイス制御を可能にする資源管理方式が不可欠である．

 そこで本研究では，OSなどのシステムソフトウェアによる省電力デバイスの高効率な資源管理方式の実現とそのモデル化に取り組んだ．まず，省電力デバイスの性能が実行中のアプリケーションの処理内容とデバイスの実行時挙動に依存することに着目し，これらの情報に基づきシステムソフトウェアがデバイスの性能解析と実行時制御を行う方式を提案した．アプリケーションとハードウェアの両方の挙動を監視することで，実行時の挙動変化を追従でき，デバイスの省エネルギー性能を実行時挙動に合わせて最適化できる．さらに，この方式をアプリケーションの変更や特殊なハードウェア機能の必要なく，一般的な計算機システムに適用できる汎用的なシステムモデルとして提供する方法を示した．これにより，デバイスの種類やアーキテクチャの違いにかかわらず，さまざまなデバイスへの提案方式の適用が可能となる．

 この資源管理モデルが計算機の省エネルギー化に有効なことを検証するため，本研究では資源管理モデルを用いて3種類の省電力デバイス（電源制御機能を搭載した省電力CPU，ハードウェアアクセラレータ，不揮発性メモリ）を対象とした資源管理機構を提案した．具体的には，（1）省電力CPUの電源制御を行うOSスケジューラ，（2）マルチコアアクセラレータの並列制御機構，（3）不揮発性メモリの性能解析機構の3種類を提案，Linuxマシンを対象に実装・評価し，個々の提案方式のエネルギー性能や性能解析の精度がいずれも既存研究の方式よりも優れていることを明らかにした．