GreenEr Mobile Systems by Cross LAyer Integrated energy Management

Das Rechnen für den persönlichen Gebrauch durchlebt zur Zeit einen Trend weg von Desktop Rechnern hin zu mobilen Services, die über Tablet Rechner, Smartphones und ähnliche Geräte zugegriffen werden. Kleine Rechner von heute erreichen dabei eine Rechengeschwindigkeit, die es mit der eines Cray-2 Superrechners aus den Achzigerjahren aufnehmen können. Aufgrund der größer werdenden Rechenbelastung (z.B. Multimediaanwendungen) und einer zunehmenden Zahl von Funkübertragungsschnittstellen (z.B. WiFi, 3G und LTE), wird der Hunger nach Energie von modernen Endgeräten immer größer. Als Beispiel sei hier genannt, dass eine einzelne UMTS Ladeoperation oder die Aufnahme eines Videos auf einem aktuellen Smartphone ca. 1.5 Watt benötigt. Das entspricht in etwa 50 % der gesamten Leistung des Gerätes. In der nahen Zukunft wird es zu einem erhöhten Energiebedarf durch höhere Übertragungsraten, fortgeschrittene Media-Codecs sowie Grafikanwendungen kommen. Gleichzeitig wird das Limit der Leistungsdichte zu einer signifikanten Vergrößerung des "Dark Silicons" bei 22 nm CMOS und darunter führen. Es versteht sich von selbst, dass disruptive Technologien benötigt werden, die weit über traditionelle Technologien wie z.B. DVFS (dynamisches Skalieren von Spannung und Taktraten) und das Ausschalten von temporär nicht benutzten Komponenten hinausgehen. Das GEMSCLAIM Projekt zielt auf innovative Ansätze zur Reduzierung des Energiebedarfs ab. Dabei sollen neue Erkenntnisse für den Benutzer und neue Möglichkeiten für das Mobile Computing entstehen. GEMSCLAIM fokussiert dabei auf 3 neue Ansätze: (1) Energieoptimierung über mehrere Schichten ausgehend von Compiler über das Betriebssystem bis zur Hardware, (2) effiziente Unterstützung der Programmierung für energieoptimierte heterogene Mehrkernplattformen basierend auf energieempfindliche SLAs und veränderbaren Parametern, sowie (3) energiebewusste Virtuelle Plattformen mit dem Ziel HW für Energieoptimierung, -messung und -abrechnung dynamisch anzupassen. GEMSCLAIM wird zur Entwicklung von neuen Methoden und Werkzeugen im Bereich von heterogenene Mehrkernprozessorsystemen beitragen und dabei Energieeinsparungen durch Benchmarking und einem HW Prototypen quantitativ nachweisen.

Mobile Endgeräte wie z.B. Laptops, Tablets und Smartphones sind omnipräsent. Die von diesen Geräten angebotene Leistung wird durch Hinzufügen von zusätzlichen Prozessoren kontinuierlich verbessert. Mobilität gibt es jedoch nicht umsonst. Energie ist für diese Geräte kostbar insbesondere für energieintensive Multimediaanwendungen. Darüber hinaus gibt es auch andere IT Bereiche für die Energie ein relevanter Kostenfaktor darstellt. Dazu gehören leistungsorientierte Server und auch das Hochleistungsrechnen. Eine Vielzahl von Lösungen wurde entwickelt, um mit dem Energieproblem auf verschiedenen Ebenen umzugehen. Während systembasierte Lösungen zahlreich und ausgiebig erforscht wurden, gibt es noch viel Raum für Verbesserungen im Bereich von anwendungsorientierten Lösungen. Das GEMSCLAIM Projekt erforschte anwendungsorientierte Energiesparmöglichkeiten durch eine innovative Erweiterung des OpenMP Industriestandards (Programmiersprache für Rechner mit gemeinsamem Speicher). Dazu wurde im Rahmen von GEMSCLAIM die Spracherweiterung OpenMPE konzipiert und implementiert. OpenMPE enthält neuartige Direktiven, die das Optimieren von Energieverbrauch und Laufzeit für Programmregionen steuern. GEMSCLAIM hat im Wesentlichen drei wichtige Beiträge zur Forschung im Bereich von mobilen Endgeräten beigetragen: Eine neue Programmierschnittstelle zur anwendungsorientierten Energieoptimierung, das es dem Programmierer ermöglicht Einsparmöglichkeiten durch das Markieren von wichtigen Programmregionen, durch das Spezifizieren von Optimierungszielen pro Programmregion und durch die Spezifikation von Anwendungsparametern mit Wertebereichen, die einen Einfluss auf die Optimierung haben. Ein Programmentwicklungssystem das OpenMPE unterstützt. Das Laufzeitsystem nutzt die vom Benutzer angegebenen Parameter zur Optimierung von Laufzeit und Energie durch Techniken wie z.B. Veränderung der Taktfrequenzen von Prozessoren oder der Anzahl von Prozessoren. Experimente haben gezeigt, dass das oben genannten Programmentwicklungssystemfür ein Multimediaprogramm (video codec) sowohl auf einem Desktop PC als auch auf einem mobilen Endgerät sehr gute Optimierungsresultate erzielt. Die GEMSCLAIM Forschung liefert daher wichtige Erkenntnisse, die, falls von der Industrie entsprechend umgesetzt, den Batterieladezyklus von mobilen Endgeräten deutlich verlängern kann.