[논문]모바일기기의 동작모드와 대기모드를 모두 고려한 저전력 3차원 그래픽 가속기

김영식

모바일기기의 동작모드와 대기모드를 모두 고려한 저전력 3차원 그래픽 가속기
A Low Power 3D Graphics Accelerator Considering Both Active and Standby Modes for Mobile Devices 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 시스템 및 이론, v.34 no.2, 2007년, pp.57 - 64

초록
AI-Helper

본 논문에서는 모바일 3D 그래픽 가속기의 저전력 텍스쳐 캐쉬 구조를 제안하였다. 모바일 3D 그래픽 가속기는 동작모드에서 대규모 메모리 접근이 필요한 텍스쳐 매핑의 메모리 지연시간을 감소하고 대기모드에서 누설 전력소비를 줄이는 것이 매우 중요하다. 제안하는 텍스쳐 캐쉬 구조는 응용 프로그램의 텍스쳐 필터링 알고리즘에 따라서 가변적인 전력 모드 전환 기준으로 동작하여 누설전력을 줄이고 동작시간의 이득을 얻는다. 제안한 구조의 성능 검증을 위하여 트레이스 기반 텍스쳐 캐쉬 시뮬레이션을 수행하여 누설전력과 수행시간을 모두 고려한 성능 척도에서 이전 연구인 MSA 캐쉬보다 최대 7%의 성능 이득을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposed the low power texture cache for mobile 3D graphics accelerators. It is very important to reduce the leakage power in the standby mode for mobile 3D graphics accelerators and the memory access latency of texture mapping in the active mode which needs a large memory bandwidth. The proposed structure reduces the leakage power using variable threshold values of power mode transitions according to the selected texture filtering algorithms of application programs, which has the run time gain for texture mapping. In the trace driven cache simulation the proposed structure shows the best 7% performance gain to the previous MSA cache according to the new performance metric considering both normalized leakage power and run time impact.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

왜냐하면 누설전력을 줄이기 위해서 제시한 기법들이 기본적으로 캐쉬히트율이 떨어지고 수행시간은 나빠지기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 누설전력과 수행시간을 모두 고려한 새로운 성능척도(new performance metric)을 정의하여 누설전력과 수행시간을 동시에 고려하여 다양한 저전력톅스쳐 캐쉬 구조의 성능 비교를 수행하였다.
[16], 이와 같이 텍스쳐 알고리즘은 전형적인 액세스 패턴을 갖고 있어서 비교적 캐쉬 히트율이 높다. 본 논문에서는 모바일 3D 그래픽 가속기의 동작모드에서의 동작 전력과 대기모드에서의 누설전력을 줄이기 위하여 텍스쳐 데이타의 메모리 지연시간을 감소하고 응용 프로그램 API 프로파일링 파라미터 구동 값에 의해 가변적인 전력 모드 전환 기준을 갖는 저전력 텍스쳐 캐쉬 구조를 제안한다.
그림 3(a)를 보면 bilinear 필터링이 trilinear 필터링보다 캐쉬 히트율이 높으면서 그림 3(b)를 보면 bilinear 필터링에서 교체되는 블록의 평균 대기 시간이 크므로 trilinear 필터링의 경우에는 더 빨리 누설 전력을 줄일 수 있는 전력 모드로 전환해도 수행시간의 성능에는 영향이 없고 전력 소모를 줄일 수 있으므로 모드 전환 문턱 값을 낮춰야 한다. 본 연구에서는 3차원 그래픽 API의 텍스쳐 필터링 알고리즘에 따라서 가변적인 전력 모드 전환 문턱 값을 가지는 구조를 설계한다.

가설 설정

다음 표 1은 본 논문에서 수행한 텍스쳐 캐쉬의 기본 구성을 정리한 것이다. 표 1에서 이eep 모드 패널티는 sleep 모드에서 active 모드 전환 시에 필요한 추가지연시간을 의미하며, active 모드 블록 대비 sleep 모드 블록의 누설전력의 비율은 0.08로 가정한다[H]. 2가지 테스트벤치에서 bilinear/trilinear 필터링을 변화시켜 가면서 트레이스를 추출할 수 없어서 트레이스 데이타는 각 필터링 별로 따로 추출하고 성능 시뮬레이션에서는 실제 응용 프로그램의 상황 올 만들기 위해서 bilinear 필터링과 trilinear 필터링의 수행 비율을 인위적으로 변화시켜 가면서 시뮬레이션 결과를 취합하였다.

제안 방법

08로 가정한다[H]. 2가지 테스트벤치에서 bilinear/trilinear 필터링을 변화시켜 가면서 트레이스를 추출할 수 없어서 트레이스 데이타는 각 필터링 별로 따로 추출하고 성능 시뮬레이션에서는 실제 응용 프로그램의 상황 올 만들기 위해서 bilinear 필터링과 trilinear 필터링의 수행 비율을 인위적으로 변화시켜 가면서 시뮬레이션 결과를 취합하였다.
필터링의 파라미터를 추출한다. 그런 후 그림 4의 하단과 같이 트레이스 데이타와 필터링 파라 미터를 구동 입력으로 가변적인 전력 모드 전환 문턱 값을 가지는 텍스쳐 캐쉬 구조를 시뮬레이터로 구성하였다. 시뮬레이션을 통하여 캐쉬 히트율, 교체 블록의 평균대기 시간, 전쳬 수행시간, 뱅크 당 active 모드, sleep 모드, off 모드 비율 등을 측정하였다.
다음 연구에서는 텍스쳐 매핑의 특성을 좀 더 반영한 저전력 캐쉬 구조를 제시하고 시뮬레이션 뿐만 아니라 FPGA 실험을 통해서 보다 실질적인 환경의 검증을 수행하도록 하겠다.
그런데 기존 방식들은 전력 모드 전환 기준인 캐쉬 블록의 대기시간 문턱 값을 상수로 정해야하는 단점이 있다. 본 논문에서 제시하는 구조는 MSA캐쉬 구조를 기반으로 그림 3에서 보듯이 bilinear 필터링에서 교체되는 블록의 평균 대기 시간이 훨씬 크므로 trilinear 필터링의 경우에서 더 낮은 전력 모드 전환 문턱 값을 가지는 가변적인 전력 모드 전환 문턱 값을 가지는 하이브리드 텍스쳐 캐쉬 구조를 제시한다.
본 논문에서 제시하는 텍스쳐 캐쉬는 기본적으로 MSA 캐쉬 구조를 기반으로 한다. MSA 캐쉬와 같은가 변 전력모드를 갖는 캐쉬는 캐쉬 블록의 전력 모드를 동작 특성에 따라서 전환할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 텍스쳐 캐쉬는 MSA 캐쉬 [11], drowsy 캐쉬[8], decay 캐쉬[13] 등의 가변 전력 모드 기법을 기반으로 한다. 가변 전력모드 기법이란 캐쉬 블록들이 미리 정한 프로토콜에 따라서 일정시간 액세스 없이 대기하고 있으면 누설 전력 소모가 적은 전력 모드로 전환하는 기법을 의미한다.
본 논문에서 제안한 Proposed는 MSA 캐쉬를 기반으로 trilinear 필터링과 bilinear 필터링의 경우에 따라서 표 2와 같이 서로 다른 전력모드 전환 문턱값을 가진다. 표 2의 구성에 따라서 성능 평가를 수행한 Quake HI 벤치마크 수행결과는 그림 5-L0과 표 3에서 설명하고, Mesa texture 벤치마크 수행 결과는 그림 11-12 이다.
즉 응용 프로그램의 캐쉬 수행 패턴 프로파일링 파라미터에 따라서 전력 모드 전환 결정의 문턱값이 달라져야 하기 때문이다. 본 연구에서는 MSA 캐쉬[11]의 전력 모드를 텍스쳐 캐쉬에 적용하고 각 뱅크마다 전력 모드 전환 결정 문턱 값을 텍스쳐 필터링 알고리즘에 따라서 가변적인 방식을 제시한다.
시뮬레이션 방법은 그림 4의 상단과 같이 OpenGL를기반으로한 Quake Ⅲ 게임 엔진[14]과 Mediabench suited기에 포함된 Mesa 3D 라이브러리 texture를 벤치마크로 수행하고 MESA 3D 라이브러리[15]를 수정하여 텍스쳐 캐쉬의 텍셀 데이타 트레이스와 bilinear/ triHnear 필터링의 파라미터를 추출한다. 그런 후 그림 4의 하단과 같이 트레이스 데이타와 필터링 파라 미터를 구동 입력으로 가변적인 전력 모드 전환 문턱 값을 가지는 텍스쳐 캐쉬 구조를 시뮬레이터로 구성하였다.
그런 후 그림 4의 하단과 같이 트레이스 데이타와 필터링 파라 미터를 구동 입력으로 가변적인 전력 모드 전환 문턱 값을 가지는 텍스쳐 캐쉬 구조를 시뮬레이터로 구성하였다. 시뮬레이션을 통하여 캐쉬 히트율, 교체 블록의 평균대기 시간, 전쳬 수행시간, 뱅크 당 active 모드, sleep 모드, off 모드 비율 등을 측정하였다. 다음 표 1은 본 논문에서 수행한 텍스쳐 캐쉬의 기본 구성을 정리한 것이다.
제안하는 구조와 기존 구조와의 성능 비교를 위한 성능 척도는 다음 수식과 같이 3가지 척도(metric)을 정의하고 시뮬레이션을 통하여 결과를 얻었다. 정규화된 누설전력(normalized leakage power)과 수행시간 영향도 (run time impact)는 MSA 캐쉬[11]에서 제시한 성능척도과 동일하다.

성능/효과

Quake Ⅲ의 그림 5에서 정규화된 누설전력의 결과는 MSA.501 구조가 본 논문에서 제안하는 구조를 비롯한 다른 구조들 보다 우수함을 알 수 있다. 이러한 결과는 MSA캐쉬의 연구 결과와 유사하다.
본 논문에서 제시한 구조는 그림 7, 8과 표 3에서 보듯이 누설전력과 수행시간을 모두 고려한 새로운 성능 척도 측면에서 제일 성능이 우수하며 특히 MSA 보다 성능이 우수하여 최대 7%의 성능 이득을 얻는다.
따라서 누설전력 뿐만 아니라 수행시간도 반드시 고려하여야 한다. 본 논문에서 제시한 구조는 누설전력과 수행시간을 모두 고려한 새로운 성능 척도에서 MSA 캐쉬보다 성능이 우수함을 알 수 있다.
본 논문에서는 모바일 3차원 그래픽 가속기에서 응용프로그램의 수행 패턴에 따른 bilinear/trilinear 필터링 파라미터를 구동 입력으로 하여 가변적인 전력모드 전환 문턱 값을 가지는 텍스쳐 캐쉬 구조를 제안하였다 제안한 텍스쳐 캐쉬는 동작 모드 뿐만 아니라 대기 모드를 고려한 저전력 구조로써 이전 연구와 비교하여 누설전력과 수행시간을 모두 고려한 성능 척도에서 MSA 캐쉬보다 최대 7%의 성능 이득을 갖는다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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