嵌入式系统IO存储栈强化学习最优控制
批准号:
62106146
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
吴超
依托单位:
学科分类:
交叉学科驱动的人工智能
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
吴超
中文摘要
作为嵌入式系统最重要的子系统之一,IO存储栈的设计直接影响系统性能与闪存寿命。当前IO存储栈大量使用静态IO管理技术,在复杂的IO存储环境中会导致性能次优与闪存寿命缩短。本项目探索基于强化学习来解决复杂环境下的自适应最优IO决策问题,主要包括以下三个内容:1)繁重的写压力会严重影响嵌入式系统IO实时性能与闪存寿命,本项目提出学习IO特征来得出IO负载自适应的最优压缩算法;2)NVMe闪存设备多队列机制在嵌入式系统中存在队列资源分配不合理与缺乏QoS保证机制的问题,本项目提出学习IO特征和系统实时状态来得出队列资源分配与IO实时调度的最优决策;3)多流闪存设备存在IO数据生命周期识别精确度与流资源分配机制的问题,本项目提出学习生命周期相关IO特征与流资源分配相关环境变量来实现IO流精确归类与流资源最优分配决策。综合以上技术,本项目可以实现系统性能与寿命均衡最优。
英文摘要
With the emerging technology of IoT (Internet-of-Things), embedded system has been one of the most attractive research areas. As an important sub-system in embedded devices, the design of I/O stack could dominate the system performance and flash storage lifetime, thus impacting the user experience and cost of the embedded devices. Bounded by the development of the traditional computer technology, static managing schemes are adopted in the current I/O stack, which could not adapt to the complicated environment in the I/O stack sub-system, thus incurring sub-optimal system I/O performance and shortened storage lifetime. To mitigate this issue, this project proposes reinforcement learning-assisted I/O managing approaches, including the following contents: 1) Excessive write I/O could directly impact the system I/O performance and shorten the lifetime of flash storage devices, this project proposes to reach the self-adaptive optimal compression algorithm through learning related I/O patterns; 2) The current multi-queue I/O scheduling mechanism in embedded devices could incur the sub-optimal queue resource allocating efficacy meanwhile lack of QoS guarantee solution, this project proposes to acquire the optimal decision in queue resource allocation and I/O scheduling through learning related I/O patterns and the real-time status of the I/O system; 3)The I/O data lifetime clustering and flash resource allocation mechanisms in the current multi-stream flash device are problematic, this project proposes a learning-based I/O data lifetime clustering solution to improve the clustering accuracy, and a reinforcement-learning based flash resource allocating approach to reach the optimal flash resource allocating decision. Combining with all these techniques, this project could reach the Pareto-optimal system performance and flash device lifetime.
本课题的研究目标是以强化学习算法为切入点,探索嵌入式系统 IO 存储栈复杂环境下的自适应最优决策问题解法;通过算法和架构层面的系统级综合优化实现嵌入式设备 IO 存储栈实时 IO 性能、QoS 性能、设备功耗以及闪存器件寿命的均衡提升,给出软硬件协同优化的工程化实现原型;力图实现嵌入式系统传统 IO存储栈在核心理念和关键方法上的突破,取得原创性的科研成果,推动存储领域的研究和发展。针对以上目标,本项目从 1)IO 负载调研、2)模型搭建、3)模型调参等三个方面对使用强化学习模型解决 IO 存储栈中复杂环境下的最优决策问题进行研究,其中 1)IO 负载调研是 2)和 3)的基础,2)模型搭建的精确定义是解决问题的关键,3)模型调参则是确保模型收敛及提升模型收敛速度的必要手段。具体地,研究内容主要分为以下三个方面:基于强化学习的嵌入式设备写压缩算法自适应最优选择方案的研究 ,基于多代理强化学习的存储资源自适应端侧目标检测系统最优调参方案的研究 ,基于深度强化学习的嵌入式系统多流闪存设备管理方案的研究。通过以上研究,本项目针对移动设备可以平均降低写入量55.1%,降低嵌入式目标检测系统功耗达到96.7%,提升IO吞吐量达到39.9%。本项目不仅可以大幅提升嵌入式存储设备的吞吐量、读写IO性能、QoS性能以及能耗表现,更可以为下一代智能IO存储栈提供理论依据,为嵌入式系统IO资源管理给出参考方案,并为人工智能与计算机体系结构进一步交叉融合开辟新思路。
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