Optimization in Code Generation to Reduce Energy Consumption

Abstract

In recent years we have witnessed a great technological advance accompanied by an equally impressive increase in energy consumption, causing problems of both financial and environmental order. In order to counteract this tendency, Green Computing emerges with a number of measures for a more efficient use of computing resources without a great loss of performance.

This essay is a study of several elements of Information Technology analyzed from the point of view of energy efficiency. With special emphasis on microprocessors, modern compiler design, development tools and optimization of code generation, a wide range of information is gathered on very relevant subjects through perspectives still not very considered by the community in general.

Also presented are two experimental studies that analyze the optimization of generated code for a set of benchmark programs in several programming languages with the aim of apraise the otimization impact on improving their energy consumption efficiency. A software measurement framework was also developed that, together with the methodologies presented in both studies, allows obtaining very precise and pertinent results for analysis. Finally, a ranking was produced for 18 development tools, considering the execution time and energy consumption of the executables generated through their compilation profiles.

This study also intends to contribute to an energy efficient technological advancement. All the work developed here may also serve as motivation so that these and other aspects of Information Technology may be seen through a greener perspective.

Alternate abstract:

Nos últimos anos temos assistido a um grande avanço tecnológico acompanhado por um aumento igualmente impressionante do consumo energético, provocando problemas quer de ordem financeira quer de ordem ambiental. Com o intuito de contrariar essa tendência, surge o Green Computing com várias medidas para uma utilização mais eficiente dos recursos computacionais sem grande perda de performance.

Esta dissertação apresenta um estudo relativo a diversos elementos das Tecnologias de Informação analisados do ponto de vista da eficiência energética. Com especial destaque para microprocessadores, conceção moderna dos compiladores atuais, ferramentas de desenvolvimento e geração de código otimizado, é aqui reunida uma vasta gama de informação sobre assuntos bastante relevantes segundo perspetivas ainda pouco consideradas pela comunidade em geral.

São também apresentados dois estudos experimentais que analisam a otimização do código gerado para um conjunto de programas benchmarks em várias linguagens de programação com o objetivo de compreender o impacto das otimizações no sentido de melhorar a eficiência energética dos programas compilados. Foi também desenvolvida uma framework de medição por software que em conjunto com as metodologias apresentadas em ambos os estudos permite a obtenção de resultados bastante precisos e pertinentes de análise. Por último é elaborado um ranking para 18 ferramentas de desenvolvimento considerando o tempo de execução e consumo energético dos executáveis gerados através dos seus perfis de compilação.

Este estudo pretende assim contribuir para um avanço tecnológico energeticamente mais eficiente. Que todo o trabalho aqui desenvolvido possa também ele servir de motivação para que estes e outros aspetos das Tecnologias de Informação possam ser vistos através de uma perspetiva mais ecológica.