基于指令部件结构自适应的多核温度管理技术

摘要

集成电路的飞速发展使得单芯片上晶体管密度和工作频率变得越来越高，而多核技术的快速发展使得单芯片上集成的核的数目日益增多，导致芯片面临着严峻的功耗和热量耗散的挑战，芯片封装散热的成本逐年上升，多核动态温度管理(Dynamic Thermal Management,DTM)技术为解决多核的温度问题为产生，并已经成为学术界与工业界的研究热点。
　　本文以16核超标量体系结构的多核处理器为研究背景，利用应用程序的历史功耗分析，建立基于反馈的体系结构参数自适应的动态温度管理框架，分等级地实施动态温度管理技术来实现动态温度管理，对峰值温度的管理具有重要意义。本文的主要工作和创新点如下：
　　1．建立了基于历史功耗分析的估算模型。根据每个采样间隔的历史功耗，通过计算平均功耗、总功耗和标准差功耗，根据三者的比较关系建立功耗偏离函数，估算模型反馈功耗偏离函数信息给动态温度管理框架的控制模块，作为控制模块的调节依据。在历史功耗的计算中，加入了泄漏功耗与温度的指数依赖关系，来反映新工艺下泄漏功耗的特征。
　　2．提出了分等级的动态温度管理方法。根据峰值温度的高低，分等级的对峰值温度实施管理，对不同阶段的温度实施不同的方法来达到降温的目的。在峰值温度较低时，通过动态调节超标量体系结构中十级流水线模型的指令部件参数和寄存器文件大小来实现降温，指令部件参数包括指令取指宽度、流出宽度、确认宽度和指令窗口大小。在峰值温度较高时，通过采用动态调频调压(Dynamic Voltage and Frequency Scaling,DVFS)技术来实现降温。峰值温度达到芯片温度阈值时，通过门控技术来调节。
　　3．在ESESC平台上实现了基于指令部件结构自适应的动态温度管理的技术。首先研究分析了 ESESC实验平台，在研究ESESC代码结构的基础上，加入动态温度管理技术的框架，通过观察程序运行的温度变化曲线，分析降温和开销数据，对比来说明各种方法的有效性。
　　实验证明，基于反馈的动态温度管理框架能够有效的保证温度平缓变化，基于指令部件的参数调整在最大执行时间开销15.8％时，至少减少峰值温度18.63℃，分等级的动态温度管理方法在最大执行时间开销14.1%时能最小减少峰值温度28.05℃，表明基于反馈的体系结构参数自适应的动态温度管理方法理论正确。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 国内外相关研究

1.3 本文研究内容

1.4 全文组织结构

第二章 温度管理相关技术研究与ESESC实验平台的剖析

2.1 多核处理器的结构

2.2 指令级并行技术

2.3 ESESC实验平台

2.4 温度模型

2.5 本章小结

第三章 基于历史功耗分析的估算模型与反馈机制的实现

3.1基于历史功耗分析的估算模型

3.2 动态温度管理方法的理论框架

3.3 反馈机制在ESESC中的实现

3.4 本章小结

第四章 指令部件及寄存器文件结构自适应调整与分等级的动态温度管理方法

4.1 超标量体系结构的十级流水线模型

4.2 指令部件参数调整

4.3 寄存器文件大小的调整

4.4 分等级的动态温度管理方法

4.5 本章小结

第五章 实验结果及分析

5.1 实验环境的配置和运行参数的设置

5.2 基于模块和网格的温度模型

5.3估算模型实验结果及分析

5.4 基于指令和运算部件参数调整的DTM的实验结果及分析

5.5 分等级的温度管理方法实验结果及分析

5.6 本章小结

第六章 总结与下一步的工作

6.1 总结

6.2 下一步的工作

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果