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범용 CMT 시스템에서 에너지 효율을 향상시키기 위한 에너지 인지 로드 밸런싱 메커니즘 : An Energy Aware Load Balancing Mechanism to Improve Energy Efficiency on The General Purpose CMT Systems

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Authors

이종환

Advisor
홍성수
Major
융합과학기술대학
Issue Date
2012-08
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 융합과학기술대학원 : 지능형융합시스템학과, 2012. 8. 홍성수.
Abstract
현재 대부분의 범용 프로세서는 CMP(Chip Multi-Processor) 구조로 되어있다. 최근에는 여기에 최소의 비용으로 추가적으로 성능을 향상시킬 수 있는 SMT(Simultaneous Multi-Threading) 기술을 빠르게 결합시키고 있다. 이렇게 CMP 구조에 SMT 기술을 도입한 CMT(Chip Multi-Threading) 구조는 범용 프로세서 시장의 50% 이상을 차지하고 있다. 범용 프로세서 시장의 90% 점유율을 차지하고 있는 Intel사의 경우, 최근 2년간 생산한 CPU의 64%가 SMT 기술의 일종인 Hyper Threading Technology를 탑재하고 있는 CMT 프로세서이다. 또한 시장점유율 2위를 차지하고 있는 AMD사의 최신 불도저 아키텍처에서는 Intel사와는 다른 방식의 SMT 기술을 적극 도입하고 있다. 또한 스마트폰용 모바일 AP 기술의 발전이 급속도로 한계에 다다름에 따라 모바일 프로세서 시장에서의 SMT 기술 도입은 시간문제일 뿐이다.
SMT 기술을 탑재한 범용 프로세서가 널리 퍼짐에 따라 이 기술을 효과적으로 사용할 수 있는 방안도 많이 연구되고 있다. 그러나 대부분의 SMT와 관련된 연구는 SMT 성능을 최대한 활용하기 위한 방안에 초점을 맞추고 있으며 에너지 효율을 중심으로 한 연구는 드물다. 에너지 효율을 중심으로 한 연구들도 대부분 ST(Single Thread)와 SMT의 에너지 효율 비교, 혹은 CMP와 SMT의 에너지 효율을 비교하는데 집중하고 있다.
본 논문에서는 프로세서의 성능을 향상시키기 위한 방법이나 어떤 시스템이 에너지 효율이 더 높은지를 비교하기 보다는 어떻게 하면 CMT 구조에서 SMT 기술을 적극 활용하여 에너지 소비를 줄일 수 있는 지에 대해 알아본다.
SMT와 CMP 기술 모두를 사용할 수 있는 CMT 구조에서는 multi-threading을 수행하기 위해 SMT나 CMP를 선택적으로 사용할 수 있다. 일반적으로 두 개의 thread를 CMP 구조를 이용하여 두 개의 코어에서 동시에 실행할 때 가장 높은 throughput을 얻을 수 있다. 반대로 두 개의 thread를 SMT 구조를 이용하여 한 개의 코어에서 두 개의 HT로 나누어 동시에 실행할 경우 가장 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다.
CMT 구조에 존재하는 성능–에너지 트레이드오프에서 많은 OS들이 성능을 중시해왔다. 반대로 에너지 소비를 줄이기 위한 방법은 상대적으로 중요하게 다뤄지지 않았다. 본 논문에서는 SMT를 사용할 경우 특정한 상황에서 기존의 OS들이 체감성능 저하 없이 에너지 소비를 낮출 수 있는 기회를 놓치고 있음을 보이며, 이 문제를 해결하기 위해 에너지 인지 로드 밸런싱 메커니즘을 제안한다. 또한 제안된 메커니즘을 Linux kernel에 구현하여 light load condition일 경우 체감성능 저하 없이 약 10%의 에너지 소비를 줄일 수 있음을 보인다.
Those days almost all general purpose processors are a CMP(Chip Multi-Processor) architecture. Recently SMT(Simultaneous Multi-Threading) and CMP technology are rapidly consolidated to improve performance with minimum cost. Usually the architecture name is called CMT(Chip Multi-Threading). CMT processor are occupying over 50% market share of general purpose processors. 64% of processors produced by Intel which are occupying over 90% market share of general purpose processors are CMT architecture with using Hyper Threading Technology as SMT technology. Also AMD are producing Bulldozer architecture processors with SMT which are different from Intel's. And I expected that we will use SMT architecture in mobile AP to overcome performance limitation.
There are many research to study SMT technology as long as widely distributed CMT. But almost all research of SMT related focus on improving performance. It is rare for energy efficient to study. Energy efficiency centered research mainly concentrates relation of ST, SMT and CMP.
This paper addresses a method to reduce energy consumption on CMT architecture instead of improving performance and architecture comparison.
In CMT architecture which selectively uses both SMT and CMP, we can select whether using CMP or SMT. Normally we can get the best throughput in case of two threads which execute in separated core(CMP). In contrast, when two thread are executed separated HT on the same core, we can get lower throughput than CMP. But energy consumption of SMT is better than CMP.
Many OSs select to use performance centered configuration between performance and energy efficiency. And OSs didn't care about energy efficiency for SMT architecture. This paper shows that legacy OSs are missing a chance to reduce energy consumption without sensible performance decrease. I suggest an energy aware load balancing mechanism to solve the problem. Also I implemented the suggested algorithm on Linux. Then I verified when we use the solution in case of light load condition, we can reduce about 10% energy consumption without sensible performance decrease.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/133161
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