에너지 효율적인 멀티코어 임베디드 시스템을 위한 부하 불균형 스케줄링 방법 = Load Unbalancing Scheduling Method for Energy-Efficient Multi-core Embedded Systems

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, multi-core processors, which have advantages in high performance and low power consumption with low cost, are selected due to a range of requirements in the embedded market. In the multi-core system, Operating System (OS)-level load balancing or load unbalancing techniques have been researched in order to achieve high performance and low power consumption. The load balancing technique is to distribute tasks fairly onto all the cores. However, load balancing can lead to excessive power consumption by utilizing all the cores. For this reason, the load balancing techniques are not suitable for embedded systems due to high power consumption. Previously proposed load unbalancing techniques assign tasks to a specific core by maximum threshold of utilization. If the core utilization reaches the threshold, the remaining tasks will be assigned to another core using the maximum threshold. However, the techniques shows ineffective energy consumption since a core runs at maximum clock speed when tasks are assigned to the core by the maximum threshold.
To resolve the power inefficiency of these techniques above, we proposed a load unbalancing scheduling method for energy-efficient multi-core embedded systems considering DVFS (Dynamic Voltage/Frequency Scaling) power consumption characteristics and task characteristics. The purpose of the proposed method is to effectively utilize energy without much effect in performance. Also, it is a new kind of scheduler which combines load balancing and load unbalancing technique. In this paper, we conduct experiments on energy consumption and performance using the previous load balancing and unbalancing techniques and the proposed technique. In our experiment, the proposed technique uses 31.9 ∼ 57.1 percent less energy than previous algorithms in the case of using a task set consisting of only periodic tasks. Also, when compared to load unbalancing techniques which have the shortest mean waiting time of aperiodic tasks, the mean waiting time of aperiodic tasks of the proposed technique is the same as that of load unbalancing techniques when task workloads are not heavy when using a task set consisting of both periodic and aperiodic tasks. On the other hand, the mean waiting time of aperiodic tasks of the proposed technique increases three times on average when task workloads are heavy. However, the mean waiting time of aperiodic tasks of the proposed technique rapidly decreases as the core number increases. In addition, the proposed technique reduced energy consumption from 4.9 percent to 60.2 percent when compared to other algorithms.
As a result, the proposed technique shows low energy consumption without much decline in the performance when workloads in the multi-core system are relatively light. The proposed technique in this paper is adequate for energy-efficient multi-core embedded systems.

국문 초록 (Abstract)

최근 임베디드 시장에서 다양한 요구사항으로 인해 낮은 비용으로 성능과 저전력에 장점이 있는 멀티코어 프로세서가 채택되고 있다. 멀티코어 시스템에서 높은 성능과 낮은 전력 소모를 달성하기 위해서 운영체제 레벨에서 부하 균형 또는 불균형 기법들이 연구되었다. 부하 균형 기법은 태스크들을 모든 코어에 균등하게 할당을 한다. 그러나 모든 코어를 사용해야 하기 때문에 비효율적인 전력소모로 이어지고 임베디드 시스템에 적합하지 않다. 기존에 제안된 부하 불균형 기법들은 태스크들을 특정 코어에 이용률의 임계값까지 할당하고 그 임계값에 도달하면 나머지 태스크를 다른 코어에 이용률의 임계값까지 할당한다. 그러나 특정 코어에 최대 임계값까지 태스크가 할당이 되면 그 코어는 최대 주파수로 동작해야 되기 때문에 비효율적인 에너지 소모를 보인다. 위와 같은 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 DVFS(Dynamic Voltage/Frequency Scaling)의 전압/주파수 단계별 전력소모 특성과 태스크 특성을 고려한 에너지 효율적인 멀티코어 임베디드 시스템을 위한 부하 불균형 스케줄러를 제안한다. 이 기술은 성능저하가 크지 않으면서 효율적인 에너지 소모를 목표로 한다. 또한 부하 균형 기법과 기존의 부하 불균형 기법을 혼합한 새로운 형태의 스케줄러이다. 본 논문에서는 기존 알고리즘인 부하 균형 기법 및 부하 불균형 기법과 제안 기술을 비교 실험을 하였으며, 에너지 소모와 성능에 대해서 비교분석을 하였다. 주기 태스크만 존재하는 경우에는 제안 기술을 기존 알고리즘들과 비교했을 때, 제안 기술이 31.9 ∼ 57.1% 정도 에너지를 절감하였다. 또한 주기와 비주기 태스크 공존하는 경우에는 제안 기술을 비주기 태스크의 평균 대기시간이 가장 짧은 부하 불균형 기법과 비교를 해보면, 시스템에 부하가 작을 때는 비주기 태스크의 평균 대기 시간이 차이가 없었지만 부하가 커졌을 때 평균 대기시간이 다소 길어졌다. 평균적으로 약 3배 정도 비주기 태스크의 평균 대기시간이 증가했다. 그러나 코어 수가 증가함에 따라서 비주기 태스크의 평균 대기시간이 급격하게 감소하였다. 그리고 에너지 소모 측면에서 기존 알고리즘인 부하 균형 기법과 부하 불균형 기법과 비교했을 때, 제안 기술이 4.9 ∼ 60.2% 에너지를 절감하였다. 결과적으로 멀티코어 시스템 환경에서 성능저하가 크지 않으면서 저전력 소모를 보이는 장점이 있다. 본 논문에서 제안하는 기술은 저전력 소모가 중요한 멀티코어 임베디드 시스템에 적합한 알고리즘임을 확인 하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론
• 1. 연구배경
• 2. 연구의 목적 및 필요성
• 3. 논문의 구성
• Ⅱ. 관련 연구
• 1. 멀티코어 프로세서에서 실시간 스케줄링 기법
• 2. 부하 균형 기법
• 3. 부하 불균형 기법
• Ⅲ. 에너지 효율적인 부하 불균형 스케줄링 방법
• 1. 시스템 모델
• 2. 부하 불균형 알고리즘
• Ⅳ. 실험 및 평가
• 1. 실험 환경
• 2. 실험 결과 및 분석
• Ⅴ. 결론 및 향후 계획
• 참고문헌