暗硅时代多核系统资源管理算法研究

摘要

集成电路制造工艺的发展减小了晶体管的特征尺寸，理论上单位面积的芯片可集成更多晶体管而功耗密度保持不变。但是，当工艺节点发展到22nm以下，泄漏功耗开始主导晶体管功耗，并随着工艺节点的缩小呈指数级增长，这引发了芯片的过热问题。业界预测:当工艺节点继续往前发展，芯片上将会有更多的功能模块不能同时处于全频率工作状态，即总是部分处于开启而其他处于关闭状态，这预示着暗硅时代的到来。
　　单核系统的局限性催生了多核系统的发展，而集成电路向暗硅发展的趋势使系统中的处理器必须合理的开断和配置以缓解热问题。多核系统的资源管理算法可根据应用自身的特点，对芯片中热设计功耗，处理器的开启数目和工作频率等资源进行合理分配，满足温度、系统资源约束的同时优化系统性能。
　　本文在暗硅背景下，面向于共享式存储结构的同构多核系统，提出了一种资源管理算法。首先，针对具有线程并行性的应用集，根据其在不同处理器数目和工作频率的功耗及吞吐特性，利用动态规划配置处理器数目和工作频率，实现当前热设计功耗约束下的系统吞吐最优化;其次，以提高散热效果和降低存取代价为目标，使用模拟退火算法完成应用映射，确定处理器开断及应用在系统中的布局，减小过热点出现的几率，并根据应用布局，通过温度仿真获得系统温度分布;最后，根据有无过热点的反馈，充分利用系统温度裕度，循环迭代地调整热设计功耗大小，每次调整后重新进行资源配置和应用映射，最终在最大热设计功耗下获得系统最优性能。
　　本文搭建了系统吞吐、功耗及温度的仿真环境，使所提资源管理算法可嵌入于该环境中一体化完成。文中借助多核架构仿真工具模拟应用在同构系统中的执行过程，可获得应用在不同处理器数目及工作频率下的吞吐特性。提取系统架构参数和运行信息，并转换为功耗仿真工具的输入文件，便可获得应用功耗特性。以吞吐和功耗特性为输入，算法在调整热设计功耗的过程中，使用温度仿真工具进行热仿真，并能获得温度布局。所搭建环境可灵活地应用于同构多核系统，实验表明，所提调度方法能够有效的避免过热点，并优化了系统性能，且相比于棋盘式布局，系统最高温度降低3％，相比开关式调整过热点的方法，系统吞吐量最大增加约12％。

目录

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摘要

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主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 国内外研究现状

1．2 研究内容和本文贡献

1．3 论文结构安排

第二章 多核系统资源管理算法

2．1 资源管理分类

2．2 资源管理方法

2．3 动态规划

2．3．1 基本要素

2．3．2 动态规划求解过程

2．3．3 适用性特点

2．4 模拟退火算法

2．4．1 组合优化问题

2．4．2 模拟退火思想

2．4．3 算法结构

2．5 本章小结

3．1 系统模型

3．1．1 多级共享式存储结构

3．1．2 处理器频率调制和开关模式

3．2 应用模型

3．2．1 线程并行性应用

3．2．2 线程划分和映射

3．2．3 应用性能评估方法

3．3 功耗和温度模型

3．3．1 芯片散热结构

3．3．2 RC热网络模型

3．4 数据结构描述

3．5 问题定义

3．6 本章小结

第四章 资源管理算法设计

4．1 问题分析和算法流程

4．2 基于动态规划的资源配置方法

4．2．1 忽略热约束的资源配置重定义

4．2．2 最优吞吐配置方法

4．2．3 动态规划过程

4．3 基于模拟退火的应用映射

4．3．1 目标函数定义

4．3．2 状态扰动方法

4．3．3 模拟退火过程

4．4 热设计功耗调制

4．5 复杂度分析

4．6 本章小结

第五章 算法实现框架和实验结果

5．1 实验框架搭建

5．1．1 系统结构搭建

5．1．2 性能仿真

5．1．3 功耗仿真

5．1．4 温度仿真

5．2 算法仿真结果

5．2．1 资源配置结果

5．2．2 模拟退火映射结果

5．2．3 热设计功耗调制结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 文章总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果