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부동소수점 응용을 위한 저온도 마이크로프로세서 설계
Temperature-Aware Microprocessor Design for Floating-Point Applications 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 시스템 및 이론, v.36 no.6, 2009년, pp.532 - 542  

이병석 (조선대학교 컴퓨터학과) ,  김철홍 (전남대학교 전자컴퓨터공학부) ,  이정아 (조선대학교 컴퓨터공학부)

초록
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동적 온도 제어 기술은 마이크로프로세서 내부 특정 유닛의 온도가 크게 올라가는 열섬 문제를 해결하기 위해 널리 사용되는 기법으로 냉각 비용을 감소시키고 칩의 신뢰성을 높인다는 장점이 있지만, 기법 적용으로 인해 성능이 저하되는 단점이 있다. 본 논문에서는 부동소수점 응용 프로그램 수행 시 발열 문제를 해결하기 위해 적용되는 동적 온도 제어 기술로 인한 성능 저하를 최소화하기 위하여 듀얼 부동소수점 가산기 구조를 제안하고자 한다. 부동소수점 응용 프로그램을 수행할 때, 가장 많이 활성화되는 유닛 중 하나인 부동소수점 가산기를 두 개로 중복시켜서 접근을 분산시키는 기법을 통해 열섬 문제를 해결하고자 한다. 또한 상호 인접한 유닛 간의 열 전달로 인해 온도가 상승하는 문제를 해결하기 위하여, 열 진달 지연 공간을 마이크로프로세서 내에 배치시키는 방법을 제안한다 제안 기법들의 적용 결과, 동적 온도 관리 기술을 사용하는 환경에서 마이크로프로세서의 최고 온도가 평균 $5.3^{\circ}C$ 최대 $10.8^{\circ}C$ 낮아지면서 발열로 인한 칩의 안정성 저하 문제를 완화시킬 수 있다. 또한 동적 온도 관리 기술이 적용되는 시간을 크게 줄임으로써 프로세서의 성능은 평균 1.41배(최대 1.90배) 향상된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Dynamic Thermal Management (DTM) technique is generally used for reducing the peak temperature (hotspot) in the microprocessors. Despite the advantages of lower cooling cost and improved stability, the DTM technique inevitably suffers from performance loss. This paper proposes the DualFloating-Point...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 264/AVC 등 비디오 디코딩 분야에서 동적 온도 제어에 따라 동영상 프레임을 제어하는 기법에 대한 연구가 있지만⑸, 동영상 재생이라는 제한된 분야에만 적용 가능한 기법이다. 따라서 본 논문에서는 이와 같은 상황을 바탕으로 부동소수점 응용 프로그램을 수행하는 경우 마이크로프로세서 내부 온도를 효과적으로 제어 하기 위한 기법을 제안하고자 한다.
  • 부동소수점 응용 프로그램은 정수형 응용 프로그램과는 다르게 연산기의 발열이 심한 편이기 때문에, 부동소수점 연산 유닛을 중복 배치하여 접근을 분산시킴으로써 온도 상승을 지연시키는 기법을 제안하고자 한다. 또한 모의 실험을 통해 확인된 온도가 높은 유닛으로부터의 열 전달로 인해 인접한 유닛의 온도가 함께 상승하는 문제를 해결하기 위하여 열 전달 지연 공간을 배치하는 방법 또한 제안한다
  • 특히 성능 저하에 민감한 부동소수점 응용 프로그램에서는 온도 저하를 위한 성능 감소 현상은 치명적이라고 할 수 있다. 본 논문에서는 마이크로프로세서의 추가적인 성능 저하 없이 부동소수점 가산기에서의 온도 상승을 최소화하기 위하여 부동소수점가산기를 두 개로 분산하여 연산을 이관하는 듀얼 부동소수점 가산기 구조(dual floating-point adder unit architecture)를 제안하고자 한다.
  • 본 논문에서는 부동소수점 응용 프로그램 수행 시 마이크로프로세서의 성능 저하를 줄이면서 발열에 대한 안정성을 높이는 방법으로 듀얼 부동소수점 가산기 구조와 열 전달 지연 공간을 이용한 기능 유닛 배치 방법을 제안하였다. 기존에는 저온도 마이크로프로세서 설계를 위해 정수 레지스터의 열섬 현상을 해결하기 위한 연구가 대부분이었으나, 이러한 해결 방법은 부동소수점응용 프로그램을 수행하는 경우에서는 큰 효과를 볼 수 없었다.
  • 본 논문에서는 부동소수점 응용 프로그램을 수행할 때의 발열 문제와 이로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위하여 듀얼 부동소수점 가산기 구조를 제안한다. 부동소수점 응용 프로그램은 정수형 응용 프로그램과는 다르게 연산기의 발열이 심한 편이기 때문에, 부동소수점 연산 유닛을 중복 배치하여 접근을 분산시킴으로써 온도 상승을 지연시키는 기법을 제안하고자 한다.
  • 그러므로 온도가 낮은 유닛이라도 온도가 높은 유닛에 인접해 있으면, 활성화 빈도와는 관계 없이' 온도가 상승하면서 발열 안정성과 마이크로프로세서의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다. 본 논문에서는 열 전달로 인한 유닛의 온도 상승 문제를 해결하기 위하여, 인접한 두 유닛 사이에 열 전달 지연 공간(Space for Heat Transfer Delay)을 마이크로프로세서 코어(core) 내부에 추가로 배치하는 정적인 온도 제어 방법 또한 제안하고자 한다.
  • 결국은 부동소수점 가산기의 발열 문제로 인하여 마이크로프로세서의 안정성 및 성능 저하 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 부동소수점 가산기(FPAdd)를 열섬 가능 인자로 선택하고, 유닛의 발열에 대한 안정성 향상과 동적 온도 관리로 인한 성능 저하를 최소화 하는 기술을 제안하고자 한다.
  • 부동소수점 응용 프로그램은 정수형 응용 프로그램과는 다르게 연산기의 발열이 심한 편이기 때문에, 부동소수점 연산 유닛을 중복 배치하여 접근을 분산시킴으로써 온도 상승을 지연시키는 기법을 제안하고자 한다. 또한 모의 실험을 통해 확인된 온도가 높은 유닛으로부터의 열 전달로 인해 인접한 유닛의 온도가 함께 상승하는 문제를 해결하기 위하여 열 전달 지연 공간을 배치하는 방법 또한 제안한다

가설 설정

  • * 증가 면적과 증가 비율은 Ev6 코어 배치가 기준임.
  • 만약 레지스터와 가산기 사이가 멀어지면 데이터 전송 경로는 더욱 복잡해지는 문제가 발생한다. 따라서 제안하는 구조에서 부동소수점 레지스터와 부동소수점 가산기는 상호 인접해야 한다.
  • 도구를 사용하였다. 모의 실험을 위한 목표 프로세서는 0.13um 공정의 3GHz 슈퍼스칼라 Alpha 21264 프로세서로 가정하였고, 특성은 [9]에서와 동일하게 설정하였다. 모의 실험은 Wattch[13], HotSpot[14] 프로그램을 하나로 통합하여 수행하였다.
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참고문헌 (14)

  1. R. Mahajan, "Thermal management of CPUs: A perspective on trends, needs and opportunities," in Proceeding of the 8th International Workshop on THERMal INvestigations of ICs and Systems, 2002. 

  2. V. Narayanan and Y. Xie, "Reliability concerns in embedded system designs," COMPUTER, vol.39, pp.118-120, 2006. 

  3. D. Brooks and M. Martonosi, "Dynamic thermal management for high-performance microprocessors," in Proceedings of the 27th International Symposium on Computer Architecture, pp.83-94, 2000. 

  4. J. S. Choi, J. H. Kong, E. Y. Chung and S. W. Chung, "A Dual Integer Register File Structure for Temperature-Aware Microprocessor," Journal of KIISE: Compter System and Theory, vol.35, no.12, pp.540-551, 2008. (in Korean) 

  5. I. Yeo and E. J. Kim, "Hybrid dynamic thermal management based on statistical characteristics of multimedia applications," in Proceeding of the thirteenth intermational symposium on Low power electronics and design (ISLPED), pp.321-326, 2008. 

  6. K. Sankaranarayanan, S. Velusamy, M. Stan, and K. Skadron," A case for thermal-aware floorplanning at the microarchitectural level," Journal of Instruction-Level Parallelism, vol.7, pp.1-16, 2005. 

  7. S. Chung and K. Skadron, "Using On-Chip Event Counters For High-Resolution, Real-Time Temperature Measurement," Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems, pp.114-120, 2006. 

  8. H. Seongmoo, K. Barr, and K. Asanovic, "Reducing power density through activity migration," in Proceeding of the 2003 International Symposium on Low Power Electronics and Design, pp.217-222, 2003. 

  9. K. Skadron, M. Stan, K. Sandaranarayanan, W. Huang, S. Velusamy, and D. Tarjan, "Temperatureaware microarchitecture: Modeling and implementation," ACM Transactions on Architecture and Code Optimization (TACO), vol.1, pp.94-125, 2004. 

  10. K. Patel, W. Lee, and M. Pedram, "Active bank switching for temperature control of the register file in a microprocessor," in Proceedings of the 17th great lakes symposium on Great lakes symposium on VLSI, 2007, pp.231-234. 

  11. SIA, "Technology Roadmap for Semiconductors," 2005. 

  12. SPEC(Standard Performance Evaluation Corporation) CPU2000, http://www.spec.org/cpu2000/ 

  13. D. Brooks, V. Tiwari, and M. Martonosi, "Wattch: a framework for architectural-level power analysis and optimizations," in Computer Architecture, 2000. Proceedings of the 27th International Symposium on 2000, pp.83-94. 

  14. Hotspot Tool Set v3.1, http://lava.cs.virginia.edu/HotSpot/ 

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