DVFS对数据中心程序性能影响的量化模型研究

"本文探讨了数据中心中动态电压频率调节(DVFS)技术对程序性能的影响，并设计了一个分析模型，用于量化程序性能与处理器频率之间的关系。通过对程序指令的分类（片上指令和片外指令），模型揭示了只有片上指令的执行时间与频率成线性关系，而片外指令的执行不受频率变化影响。通过实验证明，该模型在预测程序性能上的平均误差不超过1.34%。" 在数据中心中，动态电压频率调节(DVFS)是一种广泛采用的技术，用于优化单个计算节点的能耗，从而降低运营成本。DVFS允许处理器在运行不同工作负载时动态调整电压和频率，以实现节能目标。然而，这种技术不仅影响能源效率，也会影响应用程序的性能，这在学术界和工业界都还没有得到充分的研究。 为了深入理解DVFS对程序性能的具体影响，本文提出了一种分析模型。模型将程序指令分为两类：片上指令和片外指令。片上指令仅访问处理器内部资源，如寄存器和高速缓存，其执行时间与处理器频率成线性关系。片外指令则需要访问主内存，其执行时间相对固定，不受处理器频率变化影响。通过这两个独立的模型，可以构建出程序执行时间和处理器频率之间的量化关系。 公式(2.11)和(2.12)描述了这个性能预测模型，其中T表示程序总执行时间，I为指令总数，r为最后一级缓存未命中的指令比例，toff-chip是访问内存的平均时间，f是CPU频率，CPIon-chip是片上指令的平均CPI。通过在基准频率f0下运行程序，可以获取这些参数，从而建立针对特定程序的性能预测模型。 模型验证阶段，研究人员在Intel Xeon CPU E5-2620 @ 2.00GHz的实验平台上，使用SPECCPU2006的29个应用程序进行了实验。结果表明，模型在预测性能方面的平均误差不超过1.34%，验证了模型的有效性和准确性。为了进一步证明模型的普适性，还在另一个实验平台上进行了验证。 这个性能预测模型为数据中心的能效管理和性能优化提供了理论基础，帮助管理员更好地平衡能耗与性能需求，实现更高效的数据中心运行。