Ausgewählte Kapitel der Systemsoftwaretechnik: Energiegewahre Systemsoftware
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- Artur Förstner
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1 Ausgewählte Kapitel der Systemsoftwaretechnik: Energiegewahre Systemsoftware Timo Hönig, Christopher Eibel Lehrstuhl für Informatik 4 Verteilte Systeme und Betriebssysteme Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Sommersemester
2 Überblick Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energiegewahre Systeme Betriebssystemkomponenten Optimierungsmethoden Energieeffiziente verteilte Systeme Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Organisatorisches Themen und Einteilung Seminarmodus Fachliteratur lesen und verstehen Vortrag strukturieren, gestalten und vorbereiten c th AKSS (SS13) 1 1
3 Motivation Größenordnung des Leistungsbedarfs von Computersystemen > 10 3 W (Milliwatt): Sensorknoten, Stichwort,,Smart Dust > 10 1 W (Watt): Mobile- und sparsame Desktop-Computer > 10 2 W (Hektowatt): Desktop-Computer > 10 3 W (Kilowatt): Großrechner, High-Performance-Computer c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware 1 2
4 Motivation Größenordnung des Leistungsbedarfs von Computersystemen > 10 3 W (Milliwatt): Sensorknoten, Stichwort,,Smart Dust > 10 1 W (Watt): Mobile- und sparsame Desktop-Computer > 10 2 W (Hektowatt): Desktop-Computer > 10 3 W (Kilowatt): Großrechner, High-Performance-Computer Probleme Hitze (thermische Verlustleistung) Größe (Platzbedarf des Energiespeichers) Kosten (monetär) Knappheit (kurze Betriebszeiten) c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware 1 2
5 Motivation Größenordnung des Leistungsbedarfs von Computersystemen > 10 3 W (Milliwatt): Sensorknoten, Stichwort,,Smart Dust > 10 1 W (Watt): Mobile- und sparsame Desktop-Computer > 10 2 W (Hektowatt): Desktop-Computer > 10 3 W (Kilowatt): Großrechner, High-Performance-Computer Probleme Hitze (thermische Verlustleistung) Größe (Platzbedarf des Energiespeichers) Kosten (monetär) Knappheit (kurze Betriebszeiten) Auswirkungen im Alltag Tägliches Aufladen von mobilen Computersystemen (Handy, Laptop) Lärmende Lüfter (Laptop, Desktop, Server) Ausfall von Rechenzentren durch Stromausfall c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware 1 2
6 Motivation Größenordnung des Leistungsbedarfs von Computersystemen > 10 3 W (Milliwatt): Sensorknoten, Stichwort,,Smart Dust > 10 1 W (Watt): Mobile- und sparsame Desktop-Computer > 10 2 W (Hektowatt): Desktop-Computer > 10 3 W (Kilowatt): Großrechner, High-Performance-Computer Probleme Hitze (thermische Verlustleistung) Größe (Platzbedarf des Energiespeichers) Kosten (monetär) Knappheit (kurze Betriebszeiten) Auswirkungen im Alltag Tägliches Aufladen von mobilen Computersystemen (Handy, Laptop) Lärmende Lüfter (Laptop, Desktop, Server) Ausfall von Rechenzentren durch Stromausfall c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware 1 2
7 Energieeffiziente Systeme Hardware Software Hardware Produktionsprozess Betriebsmodi (Leistungsfähigkeit) Schlafzustände (Latenz) Software Globale Systemsicht Steuerung der verfügbaren Hardware-Energiesparmechanismen Effiziente Zusammenarbeit von Hard- und Software erforderlich c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energiegewahre Systeme 1 3
8 Energieeffiziente Systeme Hardware Firmware Software Hardware Produktionsprozess Betriebsmodi (Leistungsfähigkeit) Schlafzustände (Latenz) Firmware, Microcode Software Globale Systemsicht Steuerung der verfügbaren Hardware-Energiesparmechanismen Effiziente Zusammenarbeit von Hard- und Software erforderlich c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energiegewahre Systeme 1 3
9 Betriebssystemkomponenten Power-Management-Stack Gerätetreiber Richtlinien (policies) Verbergen von Latenzen Benutzer-Schnittstellen Abstrakte Zwischenschichten Geräteklassen (z.b. CPU, I/O, WiFi) Konfiguration am Beispiel: Steuerung der CPU-Frequenz Ansteuerung über generische Schnittstellen im Userspace Module zur Umsetzung der Richtlinien (Performanz, Energiesparen) Verknüpfung mit Subsystem des Betriebssystemkerns CPU-spezifischer Treiber Regelung des globalen Systemstatus Automatische Reaktion auf veränderte Betriebsbedingungen Nicht-funktionale Eigenschaften (z.b. Sicherstellen der Datenintegrität) c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Betriebssystemkomponenten 1 4
10 Betriebssystemkomponenten Beispiel: Linux User Interface Idle Detection Software Firmware Hardware User Space Linux Kernel Policy Governors ACPI Device Drivers c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Betriebssystemkomponenten 1 5
11 Optimierungsmethoden System- und Anwendungssoftware Rekonfiguration (z.b. Abstimmung auf Anwendungszweck) Alternative Implementierung für heterogene Plattformen Dynamische Optimierungen... finden zur Laufzeit der Software statt Ist-Zustand des Systems führt zur Regelung der Energiesparmechanismen Methodik für Abarbeitung anstehender Aufgaben (z.b. race to sleep) Statische Optimierungen... werden vor Laufzeit der Software angewandt Programmcode- und Compiler-Optimierungen Optimierung von statischen Zeitmessern c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Optimierungsmethoden 1 6
12 Energieeffiziente verteilte Systeme Optimierungsstrategien Optimierungen über Systemgrenzen hinweg Differenzierung zwischen lokalem und globalem Systemzustand Dynamische Zusammensetzung des Systems Arbeitsvergabe Erweiterte Komplexität Kopplung des Rechensystems mit externer Technik Heizung Ganzheitliche Konzepte stehen im Vordergrund Entwurf neuer Rechenzentren c th AKSS (SS13) Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energieeffiziente verteilte Systeme 1 7
13 Überblick Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energiegewahre Systeme Betriebssystemkomponenten Optimierungsmethoden Energieeffiziente verteilte Systeme Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Organisatorisches Themen und Einteilung Seminarmodus Fachliteratur lesen und verstehen Vortrag strukturieren, gestalten und vorbereiten c th AKSS (SS13) Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware 1 8
14 Masterseminar AKSS Überblick Verantwortliche Timo Hönig Christopher Eibel Raum Raum Termin Donnerstag, 12:15 13:45 Uhr Raum Web-Seiten Lehrveranstaltung: Anmeldung (Waffel): Rückmeldungen und Fragen Bitte Fragen stellen! Auf Fehler aufmerksam machen c th AKSS (SS13) Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Organisatorisches 1 9
15 Themen Vergabe der Themen Thema 1: Betriebssystemkontrolle hardwaregestützter Energiesparmechanismen Thema 2: Netzwerk, E/A und Peripheriegeräte: Gerätespezifische Stromsparmechanismen Thema 3: Energieeffiziente Betriebssystemkomponenten Thema 4: Energieverwaltung im Linux-Betriebssystem Thema 5: Profiling von Software-Energieverbrauch Thema 6: Betriebssystem-Energiebuchhaltung Thema 7: Laufzeitumgebungen und Software-Frameworks Thema 8: Energieeffiziente Systemsoftware-Infrastruktur für Cloud-Computing Thema 9: Entwurf umweltfreundlicher Rechenzentren Hinweis: Weiterführende Literatur zu den einzelnen Themen siehe Web-Seite c th AKSS (SS13) Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Themen und Einteilung 1 10
16 Seminarmodus Ausarbeitung Schriftliche Ausarbeitung Umfang mindestens 6 Seiten ACM-Stil (zweispaltig, 9-Punkt), siehe: Abgabe der Ausarbeitung: Erste Fassung: spätestens zwei Wochen vor dem Vortrag Vortragsfassung: spätestens eine Woche vor dem Vortrag Finale Fassung: spätestens eine Woche nach dem Vortrag Hintergrund: Einarbeitung der Resonanz aus dem Vortrag Weitere Hinweise Ausarbeitung unter Zuhilfenahme der Wissensbasis erstellen: Ausarbeitung entweder auf Deutsch oder Englisch c th AKSS (SS13) Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Seminarmodus 1 11
17 Seminarmodus Vortrag, aktive Teilnahme Vortrag 40 Minuten Vortrag plus anschließende Diskussion Zur Vorbereitung mindestens ein Mal zur Probe halten Abgabe der Vortragsfolien: Erste Fassung: spätestens eine Woche vor dem Vortrag Finale Fassung: spätestens einen Tag vor dem Vortrag Grundlagen der Wissensbasis auch für den Vortrag anwenden Aktive Teilnahme Vorbereitung anhand der Vortragsfassung des jeweiligen Vortrags Anwesenheit Beteiligung an den Diskussionen Vortragsevaluation Die Seminarteilnehmer bewerten gegenseitig ihre Vorträge Evaluationsbögen werden zu den Seminarterminen bereitgestellt c th AKSS (SS13) Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Seminarmodus 1 12
18 Überblick Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energiegewahre Systeme Betriebssystemkomponenten Optimierungsmethoden Energieeffiziente verteilte Systeme Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Organisatorisches Themen und Einteilung Seminarmodus Fachliteratur lesen und verstehen Vortrag strukturieren, gestalten und vorbereiten c th AKSS (SS13) Fachliteratur lesen und verstehen 1 13
19 Fachliteratur lesen und verstehen Gründe ein Papier zu lesen Literaturanalyse relevanter verwandter Arbeiten Begutachtung von zur Veröffentlichung eingereichten Beiträgen [Weil es für das Masterseminar notwendig ist.]... Mögliche Herangehensweise: Mindestens drei Lesedurchgänge mit jeweils unterschiedlichem Fokus 1. Durchgang: Erster allgemeiner Eindruck 2. Durchgang: Überblick über den Inhalt 3. Durchgang: Detailliertes Verständnis Literatur Srinivasan Keshav How to Read a Paper ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 37(3):83 84, c th AKSS (SS13) Fachliteratur lesen und verstehen 1 14
20 1. Lesedurchgang Ziel: Verschaffen eines ersten allgemeinen Eindrucks Interessante Fragestellungen In welche Kategorie (z. B. Analyse eines bereits existierenden Systems, Beschreibung eines Prototyps, etc.) fällt das Papier? Was ist der wissenschaftliche Beitrag des Papiers? Sind die getroffenen Annahmen dem ersten Anschein nach berechtigt? Mit welchen anderen Papieren ist das Papier thematisch verwandt? Vorgehensweise Detailliertes Lesen Titel Abstract Einleitung Schluss Kurzer Blick auf Überschriften Referenzen c th AKSS (SS13) Fachliteratur lesen und verstehen 1 15
21 2. Lesedurchgang Ziel: Verschaffen eines Überblicks über den Inhalt Interessante Fragestellungen Was ist der (komplette) Inhalt des Papiers? Wie würde ich einem anderen den Inhalt des Papiers erklären? Enthält das Papier offensichtliche Fehler? Vorgehensweise Detailliertes Lesen bzw. Betrachten Abschnitte aus 1. Lesedurchgang Restliche Abschnitte Abbildungen, Graphen, etc. Aussparen von Details (z. B. Beweisen) Notizen Zentrale Punkte Relevante Referenzen Unklare Stellen c th AKSS (SS13) Fachliteratur lesen und verstehen 1 16
22 3. Lesedurchgang, Anfertigung der Ausarbeitung Ziel: Detailliertes Verständnis des Papiers Interessante Fragestellungen Was sind die wesentliche Beiträge des Papiers? Sind die auf Basis der Annahmen gezogenen Schlüsse korrekt? Werden Annahmen getroffen, die nicht explizit erwähnt sind? Vorgehensweise Besonderes Augenmerk auf Details (Gedankliches) Nachvollziehen der präsentierten Experimente Heranziehen von referenzierten verwandten Arbeiten Vertiefung, Anfertigung der Ausarbeitung Die wichtigsten verwandten Arbeiten im gleichen Modus bearbeiten Ausarbeitung unter Zuhilfenahme der Wissensbasis erstellen: Abgabetermine beachten c th AKSS (SS13) Fachliteratur lesen und verstehen 1 17
23 Überblick Einführung: Energiegewahre Systemsoftware Energiegewahre Systeme Betriebssystemkomponenten Optimierungsmethoden Energieeffiziente verteilte Systeme Masterseminar AKSS: Energiegewahre Systemsoftware Organisatorisches Themen und Einteilung Seminarmodus Fachliteratur lesen und verstehen Vortrag strukturieren, gestalten und vorbereiten c th AKSS (SS13) Vortrag strukturieren, gestalten und vorbereiten 1 18
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