一种面向异构算力池的动态资源调度与负载均衡控制系统的制作方法

本发明涉及分布式计算与计算机体系结构，具体涉及一种面向异构算力池的动态资源调度与负载均衡控制系统。

背景技术：

1、随着大规模并行计算与云计算技术的发展，数据中心逐渐由单一架构的计算节点向包含中央处理器、图形处理器以及特定用途处理器的算力池架构演进。在异构算力池架构中，动态资源调度与负载均衡控制系统是分配底层计算资源的管理组件。

2、在现有的分布式计算任务调度场景中，资源调度与控制机制普遍依赖于集群主控节点对下属各个物理节点的监控指标进行周期性采集。当调度平台接收到外部提交的计算任务时，通常基于启发式匹配规则或排队论算法，提取计算任务的资源请求参数，并直接比对各物理节点上报的处理器利用率、内存剩余量等显式指标，将计算任务指派至当前负载参数相对较低的计算节点上执行。

3、然而，现有技术在处理由不同架构芯片组成的异构网络拓扑结构时，存在无法对各个节点真实可用物理资源余量进行降维统一定量衡量的缺陷。由于异构算力池中各底层计算芯片在逻辑计算单元、存储层级以及功耗散热机制上存在物理差异，各节点输出的底层物理运行数据在维度上不一致。现有的调度系统往往采用单一维度的标量堆叠或利用率平均方式进行资源评估，未能有效统合逻辑核心运行频率、多级缓存当前命中率以及当前封装温度等多维底层物理参数，导致系统无法建立多维物理约束下的标准化算力度量基准，进而引发资源错配与局部拥塞。此外，现有调度机制在任务派发时普遍忽视异构计算任务的历史关联数据在节点高速缓存中的驻留分布，缺乏对数据局部性的亲和干预；且在分布式拓扑中难以有效规避任务向高负载节点的逆向流入，导致通信开销增加与路由循环风险。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术提出的问题，本发明提供一种面向异构算力池的动态资源调度与负载均衡控制系统，包括：异构硬件状态采集与张量提取模块、物理总线拓扑解析与流形映射模块、任务需求解析与算力势场演化模块、缓存亲和干预与局部势阱控制模块以及势能梯度寻优与任务流式派发模块。

2、所述异构硬件状态采集与张量提取模块配置为对底层硬件集群执行带外遥测，以获取各异构计算节点的底层物理运行数据，将单个异构计算节点对应的底层物理运行数据组合为三阶节点状态张量，并对三阶节点状态张量执行向量化处理与权重内积计算，输出表征各异构计算节点物理余量的可用算力标量。

3、进一步地，所述异构硬件状态采集与张量提取模块具体配置为：提取系统的全局最大物理维度参数，并按照全局最大物理维度参数对底层物理运行数据执行零值填充或均值池化降维操作，输出具有统一维度规格的标准物理运行数据；将标准物理运行数据映射至三维抽象属性空间中构建表征异构计算节点物理属性的三阶节点状态张量。在输出可用算力标量时，对三阶节点状态张量执行向量展开操作得到一维状态向量，并将一维状态向量与预先设定的且经过转置处理的硬件规格归一化权重向量执行内积运算，将运算输出的数值作为可用算力标量。

4、所述物理总线拓扑解析与流形映射模块配置为获取底层硬件集群内各异构计算节点间的物理通信链路的标称物理带宽数值以及通信延迟数值，计算标称物理带宽数值与通信延迟数值的比值以生成各向异性传导系数，并结合各向异性传导系数组成的各向异性传导张量矩阵以及度矩阵构建加权拉普拉斯矩阵。

5、进一步地，所述物理总线拓扑解析与流形映射模块具体配置为：计算得到存在物理通信链路的相邻异构计算节点对应的各向异性传导系数；对于不存在直接物理通信链路的非相邻异构计算节点，将非相邻异构计算节点对应的各向异性传导系数赋值为零。在生成各向异性传导系数时，将物理通信链路的标称物理带宽数值作为分子，将物理通信链路的通信延迟数值与预设的非零正实数之和作为分母，通过比值计算并乘以预先设定的全局拓扑缩放常数得到对应数值。遍历底层硬件集群内的所有异构计算节点对，聚合生成维数等于异构计算节点总数量的各向异性传导张量矩阵；对各向异性传导张量矩阵按行求和生成对角线元素为行元素累加值且非对角线元素为零的度矩阵；控制度矩阵与各向异性传导张量矩阵执行矩阵减法运算，生成加权拉普拉斯矩阵。

6、所述任务需求解析与算力势场演化模块配置为接收异构计算任务，提取异构计算任务的资源需求配置参数以生成标准负载密度标量，将标准负载密度标量作为局部场源密度输入至网络拓扑结构的对应节点位置；依据加权拉普拉斯矩阵、可用算力标量以及局部场源密度构建离散泊松偏微分方程组，并对离散泊松偏微分方程组进行稀疏代数求解运算，输出当前调度周期内各异构计算节点的基础算力势能标量。

7、进一步地，所述任务需求解析与算力势场演化模块具体配置为：提取异构计算任务的任务类型标识，在预设的权重映射表中查询与任务类型标识匹配的需求维度匹配权重向量，结合需求维度匹配权重向量对资源需求配置向量执行内积运算，并将内积运算结果作为指数函数的自变量输入，随后与预设的负载放大系数相乘，转换为标准负载密度标量。构建初始元素全部为零且维数等于底层硬件集群内异构计算节点总数量的局部场源密度列向量，将标准负载密度标量的数值赋值给局部场源密度列向量中对应于物理编号参数的向量元素，保持无计算任务注入节点对应的向量元素为初始的零值状态。在求解偏微分方程组时，计算可用算力标量的倒数，并将可用算力标量的倒数与预设的状态阻尼常数执行标量乘法运算，生成异构计算节点对应的节点资源阻抗数值；以节点资源阻抗数值为对角线元素构建状态对角矩阵；将加权拉普拉斯矩阵与状态对角矩阵执行矩阵加法运算生成系统演化系数矩阵；以系统演化系数矩阵与基础算力势能标量列向量的矩阵乘积作为方程左项，以局部场源密度列向量作为方程右项构建各向异性离散泊松偏微分方程组。调用预条件共轭梯度算法执行迭代求解运算，在方程左项与方程右项的残差范数低于迭代求解运算收敛阈值时，判定迭代求解运算收敛，输出基础算力势能标量列向量。

8、所述缓存亲和干预与局部势阱控制模块配置为监测异构计算任务的历史关联数据在各异构计算节点高速缓存中的驻留体积，在异构计算任务存在缓存驻留记录的条件下，依据驻留体积数值计算局部势阱深度值，并从对应异构计算节点的基础算力势能标量中减去局部势阱深度值，生成等效派发势能标量；在无缓存驻留记录的条件下，等效派发势能标量等于基础算力势能标量。

9、进一步地，所述缓存亲和干预与局部势阱控制模块具体配置为：提取待派发异构计算任务的历史关联数据在各异构计算节点高速缓存中的驻留体积数值；将驻留体积数值与预设单位常数执行加法运算得到基数，以自然常数为底对基数执行对数运算，并将对数运算结果与预先设定的亲和力控制系数相乘，输出初始势阱深度值；将初始势阱深度值与预设的势阱深度临界阈值进行数值比对，提取初始势阱深度值与势阱深度临界阈值中的较小值作为最终的局部势阱深度值；控制基础算力势能标量减去局部势阱深度值，生成等效派发势能标量。

10、所述势能梯度寻优与任务流式派发模块配置为计算持有异构计算任务的源节点与源节点对应的各物理邻接节点的等效派发势能标量差值，结合各向异性传导张量矩阵计算各物理通信链路方向的势能梯度，筛选势能梯度下降幅值最大的物理通信链路作为目标派发路径；沿目标派发路径将异构计算任务传输至目标派发路径对应的目标异构计算节点，并在目标异构计算节点占用物理硬件资源时触发异构硬件状态采集与张量提取模块执行下一调度周期的状态采集。

11、进一步地，所述势能梯度寻优与任务流式派发模块具体配置为：控制源异构计算节点的等效派发势能标量分别减去各个物理邻接节点的等效派发势能标量，输出各条物理通信链路对应的势能标量差值；针对势能标量差值小于或等于零的物理通信链路，将对应的势能标量差值抑制并赋值为零；将各个物理通信链路对应的各向异性传导系数与截断处理后的势能标量差值执行相乘运算，输出源异构计算节点指向各个物理邻接节点的局部势能梯度数值。对所有局部势能梯度数值进行数值排序操作，提取局部势能梯度数值最大的物理通信链路作为目标派发路径；在局部势能梯度数值最大值大于零的条件下，控制系统底层的任务数据流控制器将异构计算任务沿着目标派发路径直接传输至目标派发路径对应的目标异构计算节点；在局部势能梯度数值最大值等于零的条件下，判定源异构计算节点为当前物理场中的局部最优执行节点，终止传输动作，并控制源异构计算节点在本地解析并直接执行异构计算任务。在异构计算任务占用对应异构计算节点的物理硬件资源执行运算逻辑的时刻，生成资源占用事件触发信号并指令异构硬件状态采集与张量提取模块重新采集底层物理运行数据并更新状态数据库，完成调度系统全局物理状态反馈闭环。

12、本发明采用上述技术方案，能够带来如下有益效果：

13、1、本发明通过提取异构计算节点的包含逻辑核心运行频率、多级缓存当前命中率以及当前封装温度的底层物理运行数据并将其组合构建为三阶节点状态张量，继而对上述三阶节点状态张量执行零值填充或均值池化降维操作以及向量展开与权重内积运算输出标准化的可用算力标量，实现了对底层包含不同架构芯片的异构网络拓扑结构中各个节点真实可用物理资源余量的降维统一定量衡量效果。

14、2、本发明通过提取异构计算节点间的物理带宽与通信延迟生成各向异性传导张量矩阵与加权拉普拉斯矩阵，并将异构计算任务解析为标准负载密度标量输入拓扑结构，进而结合可用算力标量建立离散泊松偏微分方程组并调用预条件共轭梯度算法迭代求解出基础算力势能标量集，实现了将多维约束下的离散算力匹配过程转化为连续流形度量空间中的算力传导求解进而克服通信开销模型统一难题，实现了异构算力资源的优化分配。

15、3、本发明通过提取任务关联数据在节点高速缓存中的驻留体积计算局部势阱深度值以修正基础算力势能标量生成等效派发势能标量，并控制源节点等效势能减去邻接节点势能，对负值进行抑制置零后与传导系数相乘，以筛选势能梯度最大路径进行传输，同时结合目标节点占用资源后的资源占用事件触发信号执行状态反馈，实现了兼顾数据驻留局部性干预并有效规避逆向路由循环的自适应闭环任务派发效果。