[논문]슈퍼컴퓨터에 사용되는 저전력 프로세서 패키지의 신뢰성 평가

박주영; 권대일; 남덕윤

doi:10.6117/kmeps.2016.23.2.037

슈퍼컴퓨터에 사용되는 저전력 프로세서 패키지의 신뢰성 평가
Reliability Assessment of Low-Power Processor Packages for Supercomputers 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.2, 2016년, pp.37 - 42

박주영 (울산과학기술원 제어설계공학과) , 권대일 (울산과학기술원 제어설계공학과) , 남덕윤 (한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨터개발센터 슈퍼컴퓨터SW연구실)

초록
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전력가격의 상승으로 데이터센터의 운영비 부담이 늘어나는 가운데, 슈퍼컴퓨터에 저전력 프로세서를 사용하여 데이터센터의 전력소모를 감소시키는 연구가 활발하다. 일반적으로 모바일 기기 등의 운용환경을 기준으로 신뢰성 평가가 이루어지는 저전력 프로세서를 슈퍼컴퓨터에 사용하는 경우 상대적으로 가혹한 운용환경으로 인해 물리적, 기계적 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 이 논문은 슈퍼컴퓨터 운용 환경을 바탕으로 저전력 프로세서 패키지의 수명을 평가하였다. 먼저 문헌조사, 고장모드 및 치명도 분석을 통해 저전력 프로세서 패키지의 주요 고장원인으로 온도 사이클을 선정하였다. 부하-온도 관계를 확인하기 위해 단계적인 부하를 가하며 프로세서의 온도를 측정하였다. 가장 보수적인 운용조건을 가정하고 온도 사이클에 관련된 고장물리 모델을 이용한 결과 저전력 프로세서 패키지의 기대수명은 약 3년 이하로 예측되었다. 실험 결과를 바탕으로 저전력 프로세서 패키지의 기대수명을 향상하는 방법을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

While datacenter operation cost increases with electricity price rise, many researchers study low-power processor based supercomputers to reduce power consumption of datacenters. Reliability of low-power processors for supercomputers can be of concern since the reliability of many low-power processors are assessed based on mobile use conditions. This paper assessed the reliability of low-power processor packages based on supercomputer use conditions. Temperature cycling was determined as a critical failure cause of low-power processor packages through literature surveys and failure mode, effect and criticality analysis. The package temperature was measured at multiple processor load conditions to examine the relationship between processor load and package temperature. A physics-of-failure reliability model associated with temperature cycling predicted the expected lifetime of low-power processors to be less than 3 years. Recommendations to improve the lifetime of low-power processors were presented based on the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 저전력 프로세서가 슈퍼컴퓨터에 사용될 경우 운용환경 차이로 인한 손상이 예상된다. 이 연구에서는 슈퍼컴퓨터에 사용되는 저전력 프로세서 패키지의 고장 원인들을 파악하고 가장 치명적 고장원인에 대한 정량적 수명평가를 실시하여 저전력 프로세서 패키지의 신뢰성을 예측하고자 한다.

가설 설정

KISTI가 보유한 슈퍼컴퓨터를 참고한 결과, 슈퍼 컴퓨터의 사용률은 주기적으로 변화하며 평균적으로 85%임을 알 수 있었다. 사용률에 따라 슈퍼컴퓨터의 프로세서 부하 또한 변화할 것으로 예상되어, 1시간당 평균 1건의 고성능 연산작업요구를 가정한 뒤 사용률에 따라 고성능 연산작업은 51분, 부하가 없는 유휴 상태는 9분으로 정의하였다.
슈퍼컴퓨터는 정비 시에도 항상 전원을 켜고 있으며 장비교체 시에만 전원을 끄는데, 이는 일반적인 상황이 아니라고 판단하여 전원조작 없이 항상 켜진 상태로 가정하였다. KISTI가 보유한 슈퍼컴퓨터를 참고한 결과, 슈퍼 컴퓨터의 사용률은 주기적으로 변화하며 평균적으로 85%임을 알 수 있었다.

제안 방법

저전력 프로세서 패키지의 슈퍼컴퓨터 사용에 따른 온도변화를 알아보기 위해, 저전력 프로세서를 사용한 상용 싱글보드 컴퓨터를 이용하여 부하에 따른 표면온도 변화 측정하였다. Fig.

대상 데이터

1은 실험대상제품인 Odroid XU4 싱글보드 컴퓨터와 실험장비들을 나타낸 것이다. 대상제품에 BGA 패키지로써 탑재된 저전력 프로세서는 삼성 Exynos 5422 프로세서로, 최대코어속도가 1.4 GHz인 Cortex A7 코어 네 개와 2.0 GHz인 Cortex A15 코어 네 개로 구성되어있으며 내부 칩은 와어이본딩으로, 패키지는 BGA방식을 사용했다. 언더필 및 BGA 패키지의 구조상 온도사이클 고장 위치인 솔더 조인트 온도를 직접 측정하기 어려워, 설계 사진을 통해 열원인 코어위치에 해당하는 상단 패키지 표면에 열전대를 부착하였다.

이론/모형

따라서 증가한 전력소비량에 따라 프로세서 발열량도 증가하므로, 온도 사이클, 열 충격 등 온도 관련 고장원인의 발생도(occurrence, OCC)가 높게 나타났다. 나머지 OCC는 문헌에서 테스트 조건과 운용 환경을 비교하여 결정하였으며, 심각도(severity, SEV)는 IEC 60812규격을 참조하였다.²⁰⁾ RPN이 가장 높은 온도 사이클을 치명적 고장원인으로 선정하여, 저전력 프로세서 패키지의 수명예측에 활용하였다.

성능/효과

슈퍼컴퓨터의 운용 환경과 문헌에 따라 주요 고장원인인 온도 사이클을 포함, 총 4개의 고장모드와 10개의 고장원인이 제시되었다. 또한 모의실험을 통해 슈퍼컴퓨터 운용조건이 솔더조인트와 가까운 칩 표면에 온도 사이클을 유발할 수 있음을 확인하였으며, 실험결과에 따라 저전력 프로세서 패키지의 온도 사이클에 대한 가속계수 및 기대수명을 산출하였다.
산출결과, 슈퍼컴퓨터 운용환경에 따라 저전력 프로세서의 기대수명은 저조한 것으로 확인되었다. 따라서 저전력 프로세서 기반 슈퍼컴퓨터를 운용하기 위해서 신뢰성을 기반으로 한 설계가 요구된다.
5배 이상 증가하였다. 서버에 요구되는 연산작업을 분배하여 프로세서당 낮은 부하를 유지한다면 기대성능을 유지할 뿐만 아니라 저온상태를 유지하여 높은 신뢰성을 기대할 수 있다.

후속연구

따라서 저전력 프로세서 기반 슈퍼컴퓨터를 운용하기 위해서 신뢰성을 기반으로 한 설계가 요구된다. 실험결과 코어 온도에 따라 기대수명이 증가하였으므로, 쿨링 팬 등 프로세서 단위의 냉각장치를 부착하여 직접적으로 온도편차를 줄이면 프로세서 성능을 유지하면서 기대수명을 향상시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 100여개 데이터센터들의 2013년 전력소모량은 얼마인가?	데이터센터는 서버 및 냉각시설의 운영을 위해 다량의 전력을 소모하는데, 그린피스 조사결과에 따르면 국내 100여개 데이터센터들의 2013년 전력소모량은 약 26억 kWh 로 추산되고 있다.1) 이는 한 달간 1,200만 가구가 사용 가능한 전력수준으로, 데이터센터 수, 전력소비량, 전력가격 및 랙(rack) 단위 발열밀도 또한 증가추세에 있어 운영비 절감을 위해 데이터센터의 효율적인 전력관리가 중요해 지고 있다.
	데이터센터는 전력량의 대부분은 어디에 소비하는가?	데이터센터는 전력량의 대부분을 서버의 전력소비 및 컴퓨터 발열로 인한 냉방부하로 소비하고 있다.3,4) 일례로, 한국과학기술정보연구원 (KISTI)의 슈퍼컴퓨팅 센터의 경우 수전용량의 약 59%를 냉방설비에 사용 중이다.
	데이터센터가 전력량 소비 대부분을 냉방부하로 사용하고 있는 실제 사례는 무엇인가?	데이터센터는 전력량의 대부분을 서버의 전력소비 및 컴퓨터 발열로 인한 냉방부하로 소비하고 있다.3,4) 일례로, 한국과학기술정보연구원 (KISTI)의 슈퍼컴퓨팅 센터의 경우 수전용량의 약 59%를 냉방설비에 사용 중이다.5)이에 따라 데이터센터의 냉방에너지 소비와 열 부하를 줄이기 위해 서버 및 슈퍼컴퓨터의 에너지 효율이 중요시 되면서, 최근 저전력 프로세서를 사용하여 데이터센터의 소비전력을 줄이려는 시도들이 있다.

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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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