基于分时电价的动态调频优化方法、装置、系统和计算机可读存储介质制造方法及图纸

本申请涉及一种基于分时电价的动态调频优化方法、装置、系统和计算机可读存储介质。所述基于分时电价的动态调频优化方法建立基于分时电价的动态调频优化模型，决策出程序在每个时段的运行频率，通过考虑不同时段电价的差异来调整不同时段的处理器运行频率，使得总电费支出最小化，且作业运行时间不发生太大变动。动。动。

【技术实现步骤摘要】
基于分时电价的动态调频优化方法、装置、系统和计算机可读存储介质


[0001]本申请涉及超级计算机系统的动态调频技术，更具体地说，涉及一种基于分时电价的动态调频优化方法、系统和计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]超级计算机以运算速度快、通信带宽高、存储容量大等突出特点，支持着国家高科技领域和尖端技术的大规模运算与求解，为科学计算、能源、气象、工程仿真等传统领域以及人工智能应用提供了强大支撑，对国家安全、经济和社会发展具有举足轻重的意义。目前，大规模超算发展面临的首要挑战是能耗问题，例如“E级超算”的功耗可高达50MW，每年运营电费支出高达数亿。可见，在芯片设计、体系架构等方面降低超算系统能耗面临困难条件下，开展节能管理以节省运营开支的研究显得尤为重要。
[0003]动态调频本质上是一种低功耗技术，目的是根据芯片实际功耗需要设定工作电压和时钟频率，保证提供的功率既满足要求又不会性能过剩，从而降低功耗。动态调频优化技术利用了芯片的特性，即芯片的能量消耗正比于电压的平方和时钟频率，因此可以通过减少时钟频率来降低处理器功耗。然而，仅仅降低时钟频率并不会节省能耗，因为降低性能会带来作业执行时间的增加。大多数动态调频的研究都是针对一个作业中并行任务的调频，即通过调整不同任务的运行频率使得它们更好的协同，从而在更短的时间内完成一个作业的运行以节省能耗。这些动态调频优化方法都没有考虑不同时段电价的差异。Yang等提出的作业调度方法(参见：Yang X,Zhou Z,Wallace S,et al.Integrating dynamic pricing of electricity into energy aware scheduling for HPC systems[C].IEEE High Performance Computing,Networking,Storage&Analysis,2016,58
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64.)考虑了电价在不同时段的差异，但是是在电价较高时降低资源利用率，而在电价较低时提高资源利用率，从而达到降低总电费支出的目的。

技术实现思路

[0004]本申请要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种通过调整处理器在不用时段的运行频率来达到降低总电费支出的基于分时电价的动态调频优化方法、系统和计算机可读存储介质。
[0005]本申请为解决其技术问题在第一方面提出一种基于分时电价的动态调频优化方法，所述方法包括如下步骤：
[0006]S1、将一天以一时间间隔τ划分成S个时段，定义决策变量f
s
表示程序在时段s的运行频率，令时段s的电价为w
s
，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：
[0007][0008][0009][0010]其中：
[0011]式(1)表示最小化电费总支出的目标函数，其中，π为处理器核心的门翻转概率，C为处理器核心的电容，η为系统参数，n
s
为程序占用时段s的次数；
[0012]式(2)表示需要在规定的时段数内完成程序的总运行周期，其中，r表示每个时段用于计算的时间占比，c表示处理器核心执行程序的总运行周期；
[0013]式(3)表示决策变量f
s
取值范围，其中，f
min
表示最小运行频率，f
max
表示最大运行频率；
[0014]S2、求解所述基于分时电价的动态调频优化模型；
[0015]S3、调整处理器核心以步骤S2求解得到的运行频率执行程序。
[0016]根据本申请第一方面的一个实施例中，所述步骤S1进一步包括：
[0017]设定程序可选择的运行频率集合D，定义f
d
为集合D中第d个运行频率，同时令：
[0018][0019]I
s,d
＝rτn
s
f
d
[0020]定义决策变量x
s,d
表示时段s是否选择第d个运行频率，是取值为1，否则取值为0，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：
[0021][0022][0023][0024][0025]其中：
[0026]式(4)表示最小化电费总支出的目标函数；
[0027]式(5)表示需要在规定的时段数内完成程序的总运行周期；
[0028]式(6)表示每个时段有且仅选择一个运行频率；
[0029]式(7)表示决策变量x
s,d
的取值范围。
[0030]根据本申请第一方面的一个实施例中，所述基于分时电价的动态调频优化模型中，建立运行时间与频率的如下关系：
[0031]t＝t
F
+t
H
[0032][0033][0034]其中，t为程序在n个节点上所有处理器核心以频率f0运行的时间，t
F
为频率相关的部分运行时间，t
H
为频率无关的部分运行时间，c为每个处理器核心执行程序的总运行周期，f为系统运行频率，r为每个时段用于计算的时间占比。
[0035]根据本申请第一方面的一个实施例中，所述基于分时电价的动态调频优化模型中，建立运行能耗与频率的如下关系：
[0036]f＝ηV
[0037]P
D
＝CV2f＝πCη
‑2f3[0038]其中，f为系统运行频率，V为供电电压，P
D
为动态功耗，π为处理器核心的门翻转概率，C为处理器核心的电容，η为系统参数。
[0039]根据本申请第一方面的一个实施例中，所述步骤S2中采用商业或开源求解器求解所述基于分时电价的动态调频优化模型。
[0040]本申请为解决其技术问题在第二方面提出一种基于分时电价的动态调频优化装置，包括：
[0041]建模模块，用于将一天以一时间间隔τ划分成S个时段，定义决策变量f
s
表示程序在时段s的运行频率，令时段s的电价为w
s
，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：
[0042][0043][0044][0045]其中：
[0046]式(1)表示最小化电费总支出的目标函数，其中，π为处理器核心的门翻转概率，C为处理器核心的电容，η为系统参数，n
s
为程序占用时段s的次数；
[0047]式(2)表示需要在规定的时段数内完成程序的总运行周期，其中，r表示每个时段用于计算的时间占比，c表示处理器核心执行程序的总运行周期；
[0048]式(3)表示决策变量f
s
取值范围，其中，f
min
表示最小运行频率，f
max
表示最大运行频率；
[0049]求解模块，用于求解所述基于分时电价的动态调频优化模型；
[0050]调频模块，用于调整处理器核心以所述求解模块求解得到的运行频率执行程序。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分时电价的动态调频优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、将一天以一时间间隔τ划分成S个时段，定义决策变量f
s
表示程序在时段s的运行频率，令时段s的电价为w
s
，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：其中：式(1)表示最小化电费总支出的目标函数，其中，π为处理器核心的门翻转概率，C为处理器核心的电容，η为系统参数，n
s
为程序占用时段s的次数；式(2)表示需要在规定的时段数内完成程序的总运行周期，其中，r表示每个时段用于计算的时间占比，c表示处理器核心执行程序的总运行周期；式(3)表示决策变量f
s
取值范围，其中，f
min
表示最小运行频率，f
max
表示最大运行频率；S2、求解所述基于分时电价的动态调频优化模型；S3、调整处理器核心以步骤S2求解得到的运行频率执行程序。2.根据权利要求1所述的基于分时电价的动态调频优化方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：设定程序可选择的运行频率集合D，定义f
d
为集合D中第d个运行频率，同时令：I
s,d
＝τn
s
f
d
定义决策变量x
s,d
表示时段s是否选择第d个运行频率，是取值为1，否则取值为0，建立如下基于分时电价的动态调频优化模型：如下基于分时电价的动态调频优化模型：如下基于分时电价的动态调频优化模型：如下基于分时电价的动态调频优化模型：其中：式(4)表示最小化电费总支出的目标函数；式(5)表示需要在规定的时段数内完成程序的总运行周期；式(6)表示每个时段有且仅选择一个运行频率；式(7)表示决策变量x
s,d
的取值范围。
3.根据权利要求1所述的基于分时电价的动态调频优化方法，其特征在于，所述基于分时电价的动态调频优化模型中，建立运行时间与频率的如下关系：t＝t
F
+t
HH
其中，t为程序在n个节点上所有处理器核心以频率f0运行的时间，t
F
为频率相关的部分运行时间，t
H
为频率无关的部分运行时间，c为每个处理器核心执行程序的总运行周期，f为系统运行频率，r为每个时段用于计算的时间占比。4.根据权利要求1所述的基于分时电价的动态调频优化方法，其特征在于，所述基于分时电价的动态调频优化模型中，建立运行能耗与频率的如下关系：f＝ηVP
D
＝CV2f＝πCη
‑2f3其中，f为系统运行频率，V为供电电压，P
D
为动态功耗，π为处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰泽康，黄典，冯圣中，
申请(专利权)人：国家超级计算深圳中心深圳云计算中心，
类型：发明
国别省市：