On Stochastic Optimization for Smartphone CPU Energy Consumption Decrease

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Extending smartphone working time is an ongoing endeavour becoming more and more important with each passing year. It could be achieved by more advanced hardware or by introducing energy-aware practices to software, and the latter is a more accessible approach. As the CPU is one of the most power-hungry smartphone devices, Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) is a technique to adjust CPU frequency to the current computational needs, and different algorithms were already developed, both energy-aware and energy-agnostic kinds. Following our previous work on the subject, we propose a novel DVFS approach to use simultaneous perturbation stochastic approximation (SPSA) with two noisy observations for tracking the optimal frequency and implementing several algorithms based on it. Moreover, we also address an issue of hardware lag between a signal for the CPU to change frequency and its actual update. As Android OS could use a default task scheduler or an energy-aware one, which is capable of taking advantage of heterogeneous mobile CPU architectures such as ARM big.LITTLE, we also explore an integration scheme between the proposed algorithms and OS schedulers. A model-based testing methodology to compare the developed algorithms against existing ones is presented, and a test suite reflecting real-world use case scenarios is outlined. Our experiments show that the SPSA-based algorithm works well with EAS with a simplified integration scheme, showing CPU performance comparable to other energy-aware DVFS algorithms and a decreased energy consumption.

About the authors

M. A Pelogeiko

St. Petersburg State University (SPbSU)

Author for correspondence.
Email: m.pelogeiko@mail.ru
Universitetsky Av. 28

S. Yu Sartasov

St. Petersburg State University (SPbSU)

Email: stanislav.sartasov@yandex.ru
Universitetsky Av. 28

O. N Granichin

St. Petersburg State University (SPbSU)

Email: oleg_granichin@mail.ru
Universitetsky Av. 28

References

  1. Number of smartphone mobile network subscriptions worldwide from 2016 to 2022, with forecasts from 2023 to 2028. Available at: https://www.statista.com/statistics/330695/number-of-smartphone-users-worldwide/. (accessed 10.05.2023).
  2. Spall J.C. Multivariate stochastic approximation using a simultaneous perturbation gradient approximation. IEEE Transactions on Automatic Control. 1992. vol. 37. no. 3. pp. 332–341.
  3. Granichin O., Amelina N. Simultaneous perturbation stochastic approximation for tracking under unknown but bounded disturbances. IEEE Transactions on Automatic Control. 2015. vol. 60. no. 6. pp. 1653–1658.
  4. Bogdanov E., Bozhnyuk A., Bykov D., Sartasov S., Sergeenko A., Granichin O. Dynamic Voltage-Frequency Optimization using Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation. 60th IEEE Conference on Decision and Control (CDC). 2021. pp. 3774–3779.
  5. Granichin O., Vakhitov A. Accuracy for the SPSA algorithm with two measurements. WSEAS Transactions on Systems. 2006. vol. 5.
  6. Mair H.T., Gammie G., Wang A., Lagerquist R., Chung C.J., Gururajarao S., Kao P., Rajagopalan A., Saha A., Jain A., Wang E., Ouyang S., Wen H., Thippana A., Chen HsinChen, R.S., Chau M., Varma A., Flachs B., Peng M., Tsai A., Lin V., Fu U., Kuo W., Yong L.-K., Peng C., Shieh L., Wu J., Ko U. 4.3 A 20nm 2.5GHz ultra-low-power tri-cluster CPU subsystem with adaptive power allocation for optimal mobile SoC performance. 2016 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). 2016. pp. 76–77.
  7. Bogdanov E., Bozhnyuk A., Sartasov S., Granichin O. On Application of Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation for Dynamic Voltage-Frequency Scaling in Android OS. 7th International Conference on Event-Based Control, Communication and Signal Processing (EBCCSP’21). 2021. doi: 10.1109/EBCCSP53293.2021.9502396.
  8. The kernel development community. Energy Aware Scheduling. Available at: https://www.kernel.org/doc/html/next/scheduler/sched-energy.html. (accessed 10.05.2023).
  9. CPU frequency and voltage scaling code in the Linux (TM) kernel. Linux CPUFreq. CPUFreq Governors. Available at: https://android.googlesource.com/kernel/common/+/a7827a2a60218b25f222b54f77ed38f57aebe08b/Docum freq/governors.txt. (accessed 10.05.2023).
  10. Basireddy K.R., Singh A.K., Al-Hashimi B.M., Merrett G.V. AdaMD: Adaptive Mapping and DVFS for Energy-Efficient Heterogeneous Multicores. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2020. vol. 39. no. 10. pp. 2206–2217.
  11. Lee J., Nam S., Park S. Energy-Efficient Control of Mobile Processors Based on Long Short-Term Memory. IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 80552–80560.
  12. Rapp M., Krohmer N., Khdr H., Henkel J. NPU-accelerated imitation learning for thermal- and QoS-aware optimization of heterogeneous multi-cores. Proceedings of the 2022 Conference and Exhibition on Design, Automation and Test in Europe (DATE ’22). 2021. pp. 584–587.
  13. Kim S., Bin K., Ha S., Lee K., Chong S. ZTT: learning-based DVFS with zero thermal throttling for mobile devices. Proceedings of the 19th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services (MobiSys’21). 2021. pp. 41–53.
  14. Song S., Kim J., Chung J.-M. Energy Consumption Minimization Control for Augmented Reality Applications based on Multi-core Smart Devices. IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). 2019. doi: 10.1109/ICCE.2019.8661917.
  15. Ohk S.-R., Kim Y., Kim Y.-J. Phase-Based Low Power Management Combining CPU and GPU for Android Smartphones. Electronics. 2022. vol. 11. no. 16. doi: 10.3390/electronics11162480.
  16. Dey S., Isuwa S., Saha S., Singh A.K., McDonald-Maier K. CPU-GPU-Memory DVFS for Power-Efficient MPSoC in Mobile Cyber Physical Systems. Future Internet. 2022. vol. 14. no. 3. doi: 10.3390/fi14030091.
  17. CPU Idle Time Management. Available at: https://docs.kernel.org/admin-guide/pm/cpuidle.html. (accessed 10.05.2023).
  18. Metri G., Agrawal A., Peri, R., Brockmeyer M., Weisong S. A simplistic way for power profiling of mobile devices. 2012 International Conference on Energy Aware Computing. 2012. doi: 10.1109/ICEAC.2012.6471020.
  19. Monsoon Power Monitor Specifications. Available at: https://www.msoon.com/specifications. (accessed 10.05.2023).
  20. Chung Y., Lin C., King C. ANEPROF: Energy Profiling for Android Java Virtual Machine and Applications. 2011 IEEE 17th International Conference on Parallel and Distributed Systems. 2011. pp. 372–379. doi: 10.1109/ICPADS.2011.28.
  21. Measuring Component Power. Available at: https://source.android.com/docs/core/power/component. (accessed 10.05.2023).
  22. Granichin O. Linear regression and filtering under nonstandard assumptions (arbitrary noise). IEEE Transactions on Automatic Control. 2004. vol. 49. no. 10. pp. 1830–1837.
  23. Geekbench 5 CPU Workloads. Available at: https://www.geekbench.com/doc/geekbench5-cpu-workloads.pdf. (accessed 10.05.2023).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».