Energieeffizienz von Prozessoren in High Performance Computinganwendungen der Ingenieurwissenschaften

Abstract

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Frage nach Energieeffizienz im Hochleistungsrechnen (HPC) mit Schwerpunkt auf Zusammenhänge zwischen der elektrischen Leistung der Prozessoren und deren Rechenleistung. In Kapitel 1, Einleitung der folgenden Abhandlungen, werden die Motivation und der Stand der Technik auf dem Gebiet der Strommessung und der Energieeffizienz im HPC und dessen Komponenten erläutert. In den Folgenden Kapiteln 2 und 3 wird eine am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) entwickelte Messtechnik detailliert diskutiert, die für die Strommessungen im Testcluster angewendet wird. Das Messverfahren der unterschiedlichen Hardwarekomponenten und die Abhängigkeit zwischen deren Stromversorgung, Messgenauigkeit und Messfrequenz werden dargelegt. Im Kapitel 4 der Arbeit beschreibe ich, welchen Zusammenhang es zwischen dem Stromverbrauch eines Prozessors, dessen Konfiguration und darauf ausgeführten Algorithmen gibt. Der Fokus liegt dabei auf den Zusammenhängen zwischen CPU-Frequenz, Grad der Parallelisierung, Rechenleistung und elektrischer Leistung. Für den Effizienzvergleich zwischen den Prozessoren und Algorithmen benutze ich ein Verfahren, das auf eine Approximation in der analytischen Form der Rechen- und der elektrischen Leistung der Prozessoren basiert. In diesem Kapitel wird außerdem gezeigt, dass die Koeffizienten der Approximation, die mehrere Hinweise auf Software und Hardware-Eigenschaften geben, als Basis für die Ausarbeitung eines erweiterten Modells dienen können. Wie im weiteren Verlauf gezeigt wird, berücksichtigen die existierenden Modelle der Rechen- und der elektrischen Leistung nur zum Teil die unterschiedlichen Frequenz-Domains der Hardwarekomponenten. Im Kapitel 5 wird eine Erweiterung des existierenden Modells der Rechenleistung erläutert, mit dessen Hilfe die entsprechenden neuen Eigenschaften der CPU-Architektur teilweise erklärt werden könnten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen helfen, ein Modell zu entwickeln, das sowohl die Rechen- als auch die elektrische Leistung beschreibt. In Kapitel 6 beschreibe ich die Problemstellung der Energieeffizienz eines Hochleistungsrechners. Unter anderem werden die in dieser Arbeit entwickelten Methoden auf eine HPC-Platform evaluiert.