JP4485370B2 - 並列計算装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数台の演算器を備えた並列計算装置に関し、特に、装置全体としての演算能力を一定として、使用する演算器の台数と周波数とを制御する並列計算装置に関するものである。

例えば、レーダや種々のセンサにより観測周期毎に観測データが得られ、そのデータを処理する必要がある運用システムで、実時間性が要求されるものでは、次の観測データが得られるまでに当該データ処理を完了させておくことが必須の条件となる。このような場合、単体の演算器の性能では該規定時間内に処理が完了することが困難で、かつ該処理を各々独立な処理として分割できる場合には、複数の演算器による並列処理または分散処理技術を用いるのが一般的である。

近年、演算器の性能向上は著しいものがあるが、同時に、レーダやセンサの機能向上により詳細な大量のデータが取得できるようになり、またそれに伴うユーザからの高度な要求により、当該並列・分散処理技術は常に必要とされる技術である。しかし、多数の演算器を用いる並列分散処理システムでは、発熱や大量の電力を消費するなどの問題が深刻となっている。

他方、携帯電話やノートＰＣなどのモバイルシステムでの技術革新は目を見張るものがある。特に消費電力の低減を目的に、電源のオン／オフを自動的に小まめに切り替える機能や必要に応じて演算器の動作周波数および電圧を自動的に下げる機能などがモバイルシステムに搭載されてきている。例えば、特許文献１に記載されているように、演算器に用いられるＣＭＯＳ回路の消費電力は、通常その動作周波数に比例し、また電源電圧の二乗に比例する（特に、電源電圧の二乗に比例する要素が支配的である）。そして、動作周波数を下げると、それに伴って電圧を下げても安定動作する状態が保てるので、動作周波数の下げ率以上に消費電力を低減させることができる。

このような消費電力の低減を目的とした並列計算装置としては、並列演算可能なｎ個の演算器を備え、高速モードではｎ個の演算器を用いて処理し、低電力モードでは最大ｍ個（ｎ−１≧ｍ≧１）の演算器を用いるといった実行モードを切り替えるようにしたものがあった（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２１５５９９号公報 特開２０００−３２２２５９号公報

上記のように、レーダやセンサを用いた運用システムでは、観測周期毎に得られる観測データの量が状況に応じて変化する。また、観測周期時間内にその時点で得られる観測データの処理を完了させる必要がある。このため、観測データを処理する並列計算装置では、演算負荷最大時を想定して、この時に必要な演算能力を常に維持しておかなければならない。しかしながら、大抵の場合は、演算負荷が少ない状態であるため、通常は、多くの無駄な電力を消費してしまっているのが現状である。従って、このような状況に対応して消費電力量の低減化を図ることのできる並列計算装置の実現が要望されていた。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、消費電力量の低減を図ることのできる並列計算装置を得ることを目的とする。

この発明に係る並列計算装置は、その個数が処理タイミングによって変動し、かつ、それぞれの処理時間が一定のタスクを対象として処理する少なくとも１台以上の演算器と、処理能力を一定とした場合の演算器の台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードの、使用する演算器の最も消費電力量が少ない実行モードが転換するタスクの個数を示すモード転換点の値を格納する実行モード情報格納部と、タスクの個数が与えられた場合、実行モード情報格納部のモード転換点と比較して使用する演算器の最も消費電力量が少ない実行モードを選択する制御部とを備えたものである。

この発明の並列計算装置は、演算器全体の処理能力を一定としたまま、演算器の台数と動作周波数とを制御するため、全体のタスク処理に影響を及ぼすことなく、消費電力量を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による並列計算装置を示す構成図であるが、これを説明するのに先立ち、先ず、本発明の基本概念を説明する。
図２は、動作周波数可変型の演算器８台を備えた並列計算装置のタスク処理の一例を示す説明図である。
図２（ａ）に示す実行モード１では８台の演算器（Ｐｒｏｃ０〜Ｐｒｏｃ７）を用いて各演算器の動作周波数を標準状態に設定したものであり、図２（ｂ）に示す実行モード２では４台の演算器を用いて各演算器の動作周波数をモード１の２倍に設定したものである。尚、実行モード２では他の４台の演算器は電力を消費しない休止状態に設定される。装置の演算能力を演算器１台当たりの動作周波数×演算器数と定義すると（通信のオーバーヘッドは無視する）、上記実行モード１と実行モード２は同等の演算能力があることになる。また、ここで、タスクとは演算器による一つの処理単位を意味し、それぞれのタスクはその大きさ（＝同一動作周波数の演算器による処理時間）が一定であるとする。

尚、図２（ａ）の実行モード１の例では、８台の演算器が各々一つのタスク（ｔａｓｋ０〜ｔａｓｋ７）を実行するのに対し、実行モード２では、演算器数が半分になるため、各演算器は二つのタスクを実行することになる。また、実行モード２では実行モード１での２倍の動作周波数でタスクを実行するため、半分の実行時間で各タスクを実行することができる。尚、各モードともタスクを実行していない場合は、演算器は遊休状態（最も電力を消費しない状態であり即座にタスクを実行できる状態）に設定される。

以上の状況において、例えば、演算器の動作周波数毎の消費電力（Ｗ）、各タスクの動作周波数毎の実行時間、そして単位時間（観測周期時間）当たりのタスク数が分かれば、実行モード毎に装置全体の消費電力量（Ｗ・ｓ）を積算することができる。この算出結果に基づいてどちらの実行モードが少ない消費電力量で実行できるかを判定することができる。
尚、一般的に、例えば、ＣＭＯＳ回路等では、消費電力Ｐ［Ｗ］と動作周波数Ｆおよび電源電圧Ｖとの関係は、リーク電力を無視した場合、式（１）を満足する。ここでｔは信号遷移率、Ｃは静電容量を示す。
Ｐ＝ｔ・Ｃ・Ｆ・Ｖ^２ （１）
消費電力Ｐは式（１）に示すように動作周波数Ｆに比例し、かつ電圧Ｖの２乗に比例するという両要素が支配的である。即ち、消費電力Ｐは動作周波数Ｆの変化率に対して３乗のオーダーで推移する。尚、信号遷移率ｔや静電容量Ｃは動作周波数や電圧とは関係しない一定の値であるため、ｔ・Ｃは定数項と見なすことができる。このため、実行モード１と実行モード２での消費電力量は同等にならず、処理するタスク数等に応じて、その大小関係は変わることになる。

以下の実施の形態の場合は、実行モードが二つの場合であるが、この数は各演算器で設定可能な動作周波数の数および、対象とする並列計算装置が備える演算器の数に応じて設定することができる。

次に、図１を用いて、実施の形態１の構成を説明する。
図１において、並列計算装置は、演算器１−１〜１−ｎ、実行モード情報格納部２、制御部３、バス４からなる。このような並列計算装置は、例えばレーダシステム等に用いられる計算装置であり、個々のタスクの内容はほぼ同様であるが、タスクの個数が観測周期などの処理タイミングによって変動するようなタスクを処理するものである。演算器１−１〜１−ｎは、このようなタスクを所定の周期で一定時間内に処理するためのプロセッサである。実行モード情報格納部２は、処理能力を一定とした場合の、演算器１−１〜１−ｎの台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードに対し、タスクの個数に対する最も消費電力量が少ないモードを選択するためのモード転換点の値を格納する記憶部である。制御部３は、タスクの個数が与えられた場合、実行モード情報格納部２に格納されているモード転換点の値と比較して、モードを選択する機能を有している。また、バス４は、演算器１−１〜１−ｎと実行モード情報格納部２と制御部３とを相互に接続するためのバスである。

次に、実行モード情報格納部２のモード転換点について説明する。
本実施の形態１では、動作周波数・電圧可変の省電力型プロセッサ（演算器１−１〜１−ｎ）として、ＰｏｗｅｒＰＣ（登録商標）４０５ＬＰを１２０台備える並列計算装置を想定した場合を説明する。
図３は、ＰｏｗｅｒＰＣ４０５ＬＰのスペックを示したものである。
また、ここでは、本装置は以下の２つの実行モードを備えているものとする。両モードは先に示した演算能力の定義（装置の演算能力＝「演算器１台当たりの動作周波数」×「演算器数」）により同等の演算能力を備えている。

・実行モード１：プロセッサ数：１２０
動作周波数：１５２ＭＨｚ（標準動作状態）
・実行モード２：プロセッサ数：４８（＝１２０×（１５２／３８０））
動作周波数：３８０ＭＨｚ（高速動作状態）
ここで、各パラメータが以下の場合のケースを考える。
観測周期時間（単位時間）（ｔ）＝１０秒
タスク数（Ｎ）＝０〜４００程度
演算器標準動作状態での１タスクの処理時間＝２秒（高速動作状態では０．８秒）
尚、両モードともタスクを処理していない時の消費電力は０．０１１５Ｗ（遊休状態時）とする。

図４は、これらの値を元に、処理するタスク数に応じた単位時間（ｔ＝１０秒）分の全装置の消費電力量（Ｗ・ｓ）を求めたものを示す。この結果（図４）から、ＰｏｗｅｒＰＣ４０５ＬＰを用いた場合では、モード転換点はタスク数が２５の点であり、タスク数が２５程度までであれば実行モード２の方が少ない消費電力量で実行できることが分かる。

また、図５は、タスク数が２５までの、実行モード１に対する実行モード２の消費電力量の比率を示したものである。この結果から、タスクを処理していない時（タスク数＝０）は、実行モード２は実行モード１の４０％の消費電力量で済むことになる。ここでの実施の形態のポイントは、タスク数が少ない時ほど、動作周波数を上げて実行するモードの方が少ない消費電力量で済むことである。

次に、実施の形態１の動作について説明する。
例えば、レーダシステムの場合、対象物の座標に関する値が所定の観測周期で取得される。ここで、複数の対象物のうち、一つの対象物に関する座標計算といった処理を一つのタスクとした場合、各タスクはほぼ同じであり、また、観測周期毎に発生するタスクの内容もほぼ同じである。一方、対象物の個数は時間と共に変動する。即ち、個々のタスクの内容は一定であるが、タスクの個数は変動する。このようなシステムに対して実施の形態１では次のように動作する。

図６は、実施の形態１の動作を示すフローチャートである。
制御部３は、タスク群の入力待ちを行い（ステップＳＴ１）、タスク群の入力があった場合は、実行モード情報格納部２よりモード転換点ＴＰの値を取得する（ステップＳＴ２）。次に、取得したモード転換点ＴＰとタスク群の値（タスク数）Ｎとを比較し（ステップＳＴ３）、Ｎ＜ＴＰであれば実行モード１により演算器１−１〜１−ｎの制御を実行し（ステップＳＴ４）、Ｎ≧ＴＰであれば実行モード２により実行する（ステップＳＴ５）。その後は、ステップＳＴ１に戻り、上記の処理を、タスク群の入力周期で同様に行う。尚、２度目以降の処理では、ステップＳＴ２で取得したモード転換点ＴＰの値を保持しておき、これを用いるようにしてもよい。

尚、上記実施の形態では、実行モード情報格納部２にモード転換点ＴＰの値を保持し、タスク数とモード転換点ＴＰとの比較により、モード選定を行うようにしたが、実行モード情報格納部２に、タスク数に対する実行モード毎の消費電力量の値を保持するようにし、制御部３は、その時点のタスク個数に応じた実行モード別の消費電力量の比較によりいずれかのモードを選択するようにしてもよい。

以上のように、実施の形態１の並列計算装置によれば、その個数が処理タイミングによって変動し、かつ、それぞれの処理時間が一定のタスクを処理する、少なくとも１台以上の演算器１−１〜１−ｎと、処理能力を一定とした場合の演算器１−１〜１−ｎの台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードの、使用する演算器１−１〜１−ｎの最も消費電力量が少ない実行モードが転換するタスクの個数を示すモード転換点の値を格納する実行モード情報格納部２と、タスクの個数が与えられた場合、実行モード情報格納部２のモード転換点と比較して使用する演算器１−１〜１−ｎの最も消費電力量が少ない実行モードを選択する制御部３とを備えたので、全体のタスク処理に影響を及ぼすことなく、並列計算装置としての消費電力量を低減することができる。

また、実施の形態１の並列計算装置によれば、処理能力を一定とした場合の演算器１−１〜１−ｎの台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モード毎の、タスクの個数に対する使用する演算器の消費電力量の値を格納する実行モード情報格納部２を備え、制御部３は、タスクの個数が与えられた場合、実行モード情報格納部２の実行モード毎の消費電力量の値に基づき、タスクの個数における消費電力量が最小の実行モードを選択するようにしたので、実行モードにおける演算器の台数や動作周波数の組み合わせ内容を変えた場合、あるいは実行モードを追加した場合等、実行モードの変更にも柔軟に対応することができる効果がある。

実施の形態２．
実施の形態２は、タスクの内容の変化を考慮して実行モードを選択するようにした並列計算装置を示す例である。
図７は、実施の形態２における並列計算装置の構成図である。
図示の並列計算装置は、演算器１−１〜１−ｎ、実行モード情報格納部２ａ、制御部３ａ、バス４、タスク情報格納部５からなる。ここで、演算器１−１〜１−ｎおよびバス４は、実施の形態１の演算器１−１〜１−ｎおよびバス４と同様である。また、実行モード情報格納部２ａは、処理能力を一定とした場合の、演算器の台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードの情報のみを格納する機能部である。タスク情報格納部５は、対象となるタスクに対する、演算器１−１〜１−ｎのタスク処理時間を示すタスク情報を格納する機能部である。制御部３ａは、対象となるタスクとタスクの個数が与えられた場合、タスク情報格納部５におけるタスク情報と、実行モード情報格納部２ａにおける実行モード情報とに基づいて、タスクの個数における実行モード毎の消費電力量を算出して、これらの値が小さいモードを実行モードとして選択する機能を有している。

次に、実施の形態２の動作について説明する。
例えば、レーダシステムの場合、対象物に関する値として座標以外にも処理対象とする値が存在する場合がある。即ち、一つのタスクを構成する要素が運用条件等によって異なる場合がある。また、レーダシステム以外でも、処理を行うアプリケーションが異なると、そのタスク実行時間も異なる場合がある。実施の形態２では、このようなタスクに関する情報として、例えば、演算器１−１〜１−ｎにおける標準状態の動作周波数のタスク処理時間の情報がタスク情報格納部５に格納されている。

図８は、実施の形態２の動作を示すフローチャートである。
制御部３ａは、タスク群の入力待ちを行い（ステップＳＴ１１）、タスク群の入力があった場合は、そのタスクの種類に基づき、タスク情報格納部５よりタスク情報を取得する（ステップＳＴ１２）。即ち、対象となるタスクの標準状態の動作周波数のタスク処理時間の情報を取得する。次に、実行モード情報格納部２ａより、実行モード情報を取得し（ステップＳＴ１３）、タスク処理時間と、演算器１−１〜１−ｎの台数と、動作周波数に基づいて、対象となるタスクの個数に対する各モードの消費電力量の値を算出する（ステップＳＴ１４）。尚、動作周波数が実行モード１の２倍である実行モード２では、処理時間を１／２として演算を行う。また、演算器１−１〜１−ｎへの供給電圧は一定とする。このようにして算出した実行モード１と実行モード２の消費電力量を比較し（ステップＳＴ１５）、実行モード１＜実行モード２であった場合は、実行モード１により実行し（ステップＳＴ１６）、実行モード１≧実行モード２であった場合は、実行モード２で実行する（ステップＳＴ１７）。そして、このような処理を、タスク群が入力される度に繰り返す。

また、ステップＳＴ１４で求めた各モードの消費電力量の値を蓄積し、入力されるタスク群の個数が既に求めたタスク個数であった場合は、この蓄積した値によりモード判定を行うようにしてもよい。

尚、上記実施の形態２において、タスクを構成する要素の増減による消費電力量の変化が、増減前の値に対する単なる加減演算で求められる場合、予め基準の値を用意しておき、増減要素の消費電力量を加減演算してモード毎の消費電力量を求め、これらを比較するようにしてもよい。即ち、タスクの要素が増減しても、図４における各モードの直線の傾きは変化しない場合、図４に示すような各モードの値を予めデータベースとして用意しておき、この値に増減要素の消費電力量の増減分を加算して判定するようにしてもよい。

以上のように、実施の形態２の並列計算装置によれば、処理能力を一定とした場合の演算器の台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードの情報を格納する実行モード情報格納部２ａと、対象となるタスクに対する、演算器のタスク処理時間を示すタスク情報を格納するタスク情報格納部５とを備え、制御部３ａは、対象となるタスクとタスクの個数が与えられた場合、タスク情報と実行モード情報とに基づいて、タスクの個数における実行モード毎の消費電力量を算出して、これらの値が小さいモードを実行モードとして選択するようにしたので、実施の形態１の効果に加えて、種々のタスクに対応することができる効果がある。

尚、上記実施の形態１、２では、特に言及しなかったが、制御部３（３ａ）が、演算器１−１〜１−ｎの動作周波数を下げるよう制御する場合、演算器１−１〜１−ｎへの供給電圧を下げるよう制御してもよい。このようにすることにより、更に消費電力を小さくすることができる。また、電圧可変の演算器を用いた場合、演算器の台数と動作周波数を一定としたまま、供給電圧を低下させて消費電力を下げるよう制御してもよく、このような構成によっても消費電力量の低減化を図ることができる。

また、上記実施の形態１、２では、演算器１−１〜１−ｎは、プロセッサを主体として説明したが、これら演算器１−１〜１−ｎとして、プロセッサやメモリがバスを介して接続されている回路基板といった構成を対象としてもよい。更に、このような構成の場合、プロセッサの処理能力だけでなく、メモリ容量やバス性能を考慮して実行モードの選択を行うようにしてもよい。

更に、本発明の構成として、演算器１−１〜１−ｎをパーソナルコンピュータ等の演算装置とし、制御部３（３ａ）を管理用の演算装置で構成し、これらをネットワークで接続した構成であっても同様に適用可能である。即ち、この構成の場合、演算器１−１〜１−ｎがコンピュータ、制御部３（３ａ）がこれら以外のコンピュータまたはそのうちの１台のコンピュータ、バス４がネットワークに相当する。

また、以上の説明では、各演算器１−１〜１−ｎの処理能力は同様であるとして説明したが、演算器１−１〜１−ｎのそれぞれの処理能力が異なるものであってもよい。尚、このような場合は、実行モード情報として、演算器１−１〜１−ｎ全体の処理能力が一定となるよう、使用する演算器の台数と動作周波数に加えてその演算器を特定するための情報を含むようにする。このようにすることにより、演算器の処理能力が異なる並列計算装置であっても、消費電力量の低減化を図ることができる。

更に、このような演算器１−１〜１−ｎのそれぞれの処理能力が異なる構成において、制御部３（３ａ）は、消費電力量が同一であった場合、演算器の台数または動作周波数のいずれかを優先して実行モードを選択するようにしてもよい。このようにすれば、例えば、できるだけ演算器の台数を少なくした構成や、動作周波数を抑えた構成といった種々の構成の並列計算装置を実現することができる。

また、上記各実施の形態では、本発明をレーダシステムに適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電話交換システムにおけるそれぞれの呼処理（＝タスク）といった、複数の演算器を用いて、タスクの個数が処理タイミングによって変動し、かつ、それぞれの処理時間が一定のタスクを処理するようなシステムであれば同様に適用可能である。

この発明の実施の形態１による並列計算装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１における並列計算装置のタスク処理の一例を示す説明図である。 この発明の実施の形態１におけるプロセッサのスペックの説明図である。 この発明の実施の形態１における実行モード毎のタスク数に対する消費電力量の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１における実行モード１に対する実行モード２の消費電力量の比率を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２による並列計算装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１−１〜１−ｎ 演算器、２，２ａ 実行モード情報格納部、３，３ａ 制御部、５ タスク情報格納部。

Claims (6)

1. その個数が処理タイミングによって変動し、かつ、それぞれの処理時間が一定のタスクを処理する、少なくとも１台以上の演算器と、
   処理能力を一定とした場合の前記演算器の台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードの、使用する演算器の最も消費電力量が少ない実行モードが転換するタスクの個数を示すモード転換点の値を格納する実行モード情報格納部と、
   タスクの個数が与えられた場合、前記実行モード情報格納部のモード転換点と比較して使用する演算器の最も消費電力量が少ない実行モードを選択する制御部とを備えた並列計算装置。
2. その個数が処理タイミングによって変動し、かつ、それぞれの処理時間が一定のタスクを処理する、少なくとも１台以上の演算器と、
   処理能力を一定とした場合の演算器の台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モード毎の、タスクの個数に対する使用する演算器の消費電力量の値を格納する実行モード情報格納部と、
   タスクの個数が与えられた場合、前記実行モード情報格納部の実行モード毎の消費電力量の値に基づき、当該タスクの個数における消費電力量が最小の実行モードを選択する制御部とを備えた並列計算装置。
3. その個数が処理タイミングによって変動し、かつ、それぞれの処理時間が一定のタスクを処理する、少なくとも１台以上の演算器と、
   処理能力を一定とした場合の演算器の台数と動作周波数の組み合わせからなる複数の実行モードの情報を格納する実行モード情報格納部と、
   対象となるタスクに対する、前記演算器のタスク処理時間を示すタスク情報を格納するタスク情報格納部と、
   対象となるタスクと当該タスクの個数が与えられた場合、前記タスク情報と前記実行モード情報とに基づいて、前記タスクの個数における実行モード毎の消費電力量を算出して、これらの値が小さいモードを実行モードとして選択する制御部とを備えた並列計算装置。
4. 制御部は、演算器の動作周波数を下げる場合、当該演算器への供給電圧を下げるよう制御することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の並列計算装置。
5. 処理能力の異なる演算器を備えた場合、全体の処理能力が一定となるよう実行モードを設定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の並列計算装置。
6. 制御部は、消費電力量が同一であった場合、演算器の台数または動作周波数のいずれかを優先して実行モードを選択することを特徴とする請求項５記載の並列計算装置。

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