A Highly Effective System Clock for Energy-efficient Computer Systems Diego L. C. Dutra, Lauro L. A. Whately, and Claudio L. Amorim {diegodutra, whately, amorim}@compasso.ufrj.br Programa de Engenharia de Sistemas e Computac ¸˜ ao, COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil Abstract Energy-efficient computer systems are making increas- ing use of processors that have multiple core units, DVFS, and virtualization support. However, current sys- tem clocks have not been usually designed to cope with the capacity of such mechanisms to decelerate/acceler- ate the passage of time, which increases the time drifts in the system and produces two adverse side effects. First, a reduction in the precision of the system clocks, which makes it infeasible to run applications that are dependent on precise time measurements. Second, increasing the rate of system resynchronization with an external global clock, which counteracts the attainment of a desirable en- ergy efficiency. As an alternative to a system clock, we propose an original virtual clock, named RVEC, with the property that the time count is strictly increasing and precise. Furthermore, we used RVEC to build a High-Precision Global Clock (HPGC) solution which was free from resynchronization for a cluster of energy-efficient com- puters. Our experimental evaluation of an implementation of RVEC in both the Linux system and the OpenVZ vir- tualization system as well as HPGC in Linux by us- ing a reference cluster of three energy-efficient com- puter systems showed that RVEC had negligible over- head and was highly precise in comparison with rep- resentative Linux system clocks. In addition, our re- sults indicated that the HPGC synchronization solution is highly-scalable as it can synchronize up to 1,000 nodes/s and also that it can be performed offline, which can ben- efit energy-limited embedded systems, as well. These preliminary results suggest that RVEC and HPGC can be highly effective alternatives to the system clock and global clock,respectively, especially for EE computer systems. Resumo Sistemas de computac ¸˜ ao energeticamente eficientes (EE) utilizam crescentemente processadores com m´ ultiplos n´ ucleos, DVFS e suporte para virtualizac ¸˜ ao. Entretanto, os atuais rel´ ogios de sistema n˜ ao s˜ ao usualmente proje- tados para lidar com a capacidade de tais mecanismos de desacelerar/acelerar a passagem do tempo, o que au- menta os desvios de tempo no sistema e produz dois efeitos adversos. Primeiro, a reduc ¸˜ ao da precis˜ ao dos rel´ ogios do sistema, o que inviabiliza a execuc ¸˜ ao de aplicac ¸˜ oes dependentes de medidas de tempo precisas. Segundo, aumentar a taxa de resincronizac ¸˜ ao com um rel´ ogio global externo, contrapondo-se a alcanc ¸ar uma desejada eficiˆ encia energ´ etica. Como uma alternativa para o rel´ ogio de sistema, n´ os propomos um original rel´ ogio virtual, denominado RVEC, com a propriedade de contagem de tempo ser es- tritamente crescente e precisa. Mais ainda, n´ o usamos RVEC para construir uma soluc ¸˜ ao de rel´ ogio global de alta precis˜ ao (HPGC) que ´ e livre de resincronizac ¸˜ ao. Nossa avaliac ¸˜ ao experimental de uma implementac ¸˜ ao do RVEC e HPGC em Linux e do RVEC no sistema de Virtualizac ¸˜ ao OpenVZ usando um cluster de referen- cia com trˆ es computadores EE, mostraram que o RVEC tem sobrecarga neglig´ ıvel e foi altamente preciso em comparac ¸˜ ao com dois rel´ ogios de sistemas representa- tivos do Linux. No OpenVZ, RVEC permitiu Mem- perf, uma aplicac ¸˜ ao dependente de temporizac ¸˜ ao precisa, ser migrada entre n´ ucleos sem afetar suas medic ¸˜ oes, em contraste com os parcos resultados usando o rel´ ogio de sistema padr˜ ao. Adicionalmente, nossos resultados in- dicaram que a soluc ¸˜ ao HPGC ´ e altamente escal´ avel pois consegue sincronizar at´ e 1.000 n ´ os/s e tamb´ em que pode ser realizada offline. Estes resultados preliminares sug- erem que RVEC e HPGC conseguem ser alternativas al- tamente efetivas para o rel´ ogio do sistema e o rel´ ogio global, respectivamente, especialmente para sistemas de computac ¸˜ ao energeticamente eficientes. 1