[논문]멀티코어 프로세서의 전력 소비에 대한 연구

이종복

doi:10.7236/jiibc.2017.17.2.251

멀티코어 프로세서의 전력 소비에 대한 연구
A Study on Power Dissipation of The Multicore Processor 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.17 no.2, 2017년, pp.251 - 256

초록
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최근에 이르러, 범용 컴퓨터 뿐만이 아니라 임베디드 시스템 및 모바일 장치에서도 광범위하게 멀티코어 프로세서가 이용되어 그 성능이 증대되고 있다. 이러한 멀티코어 프로세서 시스템의 전력 소비량이 매우 중요하므로, 설계의 초기 단계에서 그 값을 정확하게 예측할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 멀티코어 프로세서에 대하여 빠른 속도를 갖는 명령어 자취형 (trace-driven) 모의실험기 기반의 전력 분석기를 개발하였다. 이 때, 각 코어를 구성하는 하드웨어 유닛별 소비전력을 계산하여 합산하였다. 또한, SPEC 2000 벤치마크를 입력으로 모의실험을 수행하여 명령어 당평균 전력 소비량을 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, multicore processor system is widely adopted not only in general purpose computers but also in embedded systems and mobile devices in order to improve performance. Since the power dissipation issue of multicore processor system is very significant, it must be estimated accurately in the early design stage. In this paper, a fast power analysis tool for a high performance multicore processor based on the trace-driven simulator has been developed. To achieve it, the power dissipation of each hardware unit per core are added. Using SPEC 2000 benchmarks as input, the trace-driven simulation has been performed to estimate the average power dissipation per instruction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 0.35 μm CMOS를 기반으로 600 MHz에서 동작하는 멀티코어 프로세서의 전력을 명령어 자취모의실험기를 기반으로 하여 빠르게 측정할 수 있는 전력 측정기를 개발하였다.
본 논문에서는 멀티코어 프로세서의 전력 소비량을 빠르고 효율적으로 측정할 수 있는 명령어 자취를 기반으로 하는 전력 모델 및 모의실험기를 제안하였다. 또한, 본 모의실험기를 이용하여, SPEC 2000 벤치마크에 대하여 평균 전력의 소비량을 측정하고, 멀티코어 프로세서의 각 하드웨어 유닛에서 소비되는 전력을 분석하였다.
이렇게 함으로써 각 단계의 지연시간을 측정할 수 있으나, 임계경로를 위주로 측정하기 때문에 전력 소비량을 측정하는데 한계가 있다^[3].이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 논문에서는 각 단계에서의 정전용량을 고려하고 모든 경로에서의 전력 소비량을 분석하고 합산하는 방법을 택하였다. 이때, 멀티코어 프로세서를 구성하는 트랜지스터의 크기는 다양한 하드웨어 구조의 정전용량에 큰 영향을 끼친다^[2,3].

가설 설정

1 차 명령어 캐쉬는 2 차 연관도(setassociativity)를 가지나, 1 차 데이터 캐쉬는 직접 매핑을 통하여 접근된다. 2 차 캐쉬는 100 % 히트가 난다고 가정하였으며, 분기 명령어는 2 단계 적응형 분기 예측 방식을 적용하였다.
멀티코어 프로세서는 600MHz에서 동작하는 0.35μm CMOS 기술을 가정하였다.

제안 방법

1 차 명령어 캐쉬와 데이터 캐쉬는 각 코어마다 설치되며, 코어의 개수가 증가할 수록, 그 용량이 증가하므로 성능에 유리하다. 따라서 공정한 성능 비교를 위하여, 단일코어 프로세서의 명령어 캐쉬와 데이터 캐쉬는 동일하게 64 KB의 용량을 갖도록 설정하였다. 1 차 명령어 캐쉬는 2 차 연관도(setassociativity)를 가지나, 1 차 데이터 캐쉬는 직접 매핑을 통하여 접근된다.
본 논문에서는 멀티코어 프로세서의 전력 소비량을 빠르고 효율적으로 측정할 수 있는 명령어 자취를 기반으로 하는 전력 모델 및 모의실험기를 제안하였다. 또한, 본 모의실험기를 이용하여, SPEC 2000 벤치마크에 대하여 평균 전력의 소비량을 측정하고, 멀티코어 프로세서의 각 하드웨어 유닛에서 소비되는 전력을 분석하였다.
35μm CMOS 기술을 가정하였다. 모의실험에 이용된 SPEC 2000 정수형 벤치마크 프로그램은 SimpleScalar를 통하여 MIPS IV 10억 개의 명령어 자취를 임의의 차수의 에적합하도록 발생시켜서 모의실험기에 입력하였다.
본 논문에서 멀티코어 프로세서에 대한 전력 소비량의 측정은, 클럭을 제외하고 표 1에 나타낸 것과 같이 크게 네 가지 유형의 하드웨어 구조로 분류하였다. 첫 번째는 복합적 조합회로로서, 연산유닛, 명령어 윈도우 선택논리회로, 종속 검사 논리회로, 결과버스 등을 예로 들 수 있다.
본 논문에서는 명령어 트레이스 모의실험기를 개발하여 모의실험에 이용하였다^[11]. 멀티코어 프로세서는 제1 단계 명령어 자취의 발생, 제 2 단계 명령어 자취에 대한 멀티코어 프로세서의 실행으로 나누어진다.

대상 데이터

본 논문의 모의실험은 운영체제 Fedora 24에서 3.1GHz로 동작하는 Intel Core i5-2400에서 시행하였다. 멀티코어 프로세서는 600MHz에서 동작하는 0.

이론/모형

각 코어는 자체적으로 1 차 명령어 및 데이터 캐쉬를 가지며, 메인 메모리와 연결되는 공통의 2 차 캐쉬를 공유한다. 각 코어에 설치된 1 차 데이터 캐쉬의 일관성(cache-coherency)을 위하여 MESI 프로토콜을 이용한다.
한편, 비트라인의 정전용량은 선충전 트랜지스터의 확산 정전용량, 셀 접근 트랜지스터의 확산 정전용량, 비트라인 금속선의 정전용량으로부터 계산에 의하여 구할 수 있다. 본논문에서 전력을 계산하기 위한 캐쉬 구조의 물리적인 특성은 Cacti 도구를 참조하였다^[3].

성능/효과

35 μm CMOS를 기반으로 600 MHz에서 동작하는 멀티코어 프로세서의 전력을 명령어 자취모의실험기를 기반으로 하여 빠르게 측정할 수 있는 전력 측정기를 개발하였다. SPEC 벤치마크에 대하여 멀티코어 프로세서에 대한 전력을 모의실험을 통하여 측정한 결과, 명령어 당 37.2 W의 평균 전력을 기록하였다. 또한, 모의실험에 의하여 전력을 측정하는 속력을 Wattch 도구와 비교한 결과 3.
결국 멀티코어 프로세서의 전력을 가장 많이 소비하는 장치가 캐쉬임을 알 수 있다. 듀얼코어 프로세서의 명령어당 평균 소비전력은 36.9 W를 기록하였으며, 쿼드코어 프로세서의 경우에는 이것보다 약간 증가한 37.7 W를 나타냈다.
위에서 전력을 측정하기 위한 모의실험 결과, 초당 260K 개의 명령어를 처리할 수 있었으며, 이것은 초당 80K 개의 명령어를 처리할 수 있는 Wattch 도구보다 월등한 결과이다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 프로세서의 모의실험에 명령어 자취형 방식을 채택함으로써, 실행위주 방식보다 3.3 배 빠르게 전력 소비량에 대한 결과를 얻을 수 있다.
2 W의 평균 전력을 기록하였다. 또한, 모의실험에 의하여 전력을 측정하는 속력을 Wattch 도구와 비교한 결과 3.3 배의 향상을 가져왔다.
이 때 싸이클 당 전력 소비는 크게 재명명 장치, 분기예측 장치, 명령어 윈도우 장치, 로드 및 스토어큐 장치, 레지스터 파일, 명령어 캐쉬, 데이터 캐쉬, 산술연산장치, 결과 버스에서 이루어진다. 모의실험 결과에 의하면 재명명 장치, 분기예측 장치, 로드 및 스토어 장치에서의 전력 소비는 상대적으로 10 W 이하로 미미하고, 명령어 윈도우 장치, 레지스터 파일, 명령어 캐쉬, 데이터 캐쉬, 산술연산 장치에서 50 W 이상의 대부분의 전력이 소비된다는 것을 알 수 있다.
그림 4에 듀얼코어 프로세서와 쿼드코어 프로세서에서 8 개의 SPEC 벤치마크를 입력으로하여 모의실험을 수행하여 얻은 평균 전력 소비량의 결과를 보였다. 모의실험 결과에서 알 수 있듯이, 각 벤치마크 프로그램 별로 최저 30.8 W에서 최고 50.9 W 범위의 평균 전력을 기록하였다.
위에서 전력을 측정하기 위한 모의실험 결과, 초당 260K 개의 명령어를 처리할 수 있었으며, 이것은 초당 80K 개의 명령어를 처리할 수 있는 Wattch 도구보다 월등한 결과이다. 따라서, 본 논문에서 제안하는 프로세서의 모의실험에 명령어 자취형 방식을 채택함으로써, 실행위주 방식보다 3.
명령어 윈도우, TLB, 로드/스토어큐가 이에 해당된다. 이상, 본 논문의 전력모델은 위의 네가지 카테고리에 대하여, Wattch 도구와 Cacti 도구를 참조하여 C 언어로 완성되었다^[3,7,8].

후속연구

또한, 이러한 유형의 각 멀티코어 프로세서에 대하여 동질 코어(homogeneous core)가 아닌 비동질코어(heterogeneous core)를 채택하는 비대칭 칩 멀티코어 프로세서(asymmetric multicore processor) 구조에 대한 연구를 들 수 있다. 더 나아가, 최신 경향인 코어 수 64개 이상의 매니코어 (many-core) 아키텍쳐의 전력에 대하여 연구를 수행할 예정이다.
추후로, 임베디드 멀티코어 프로세서 및 디지털 신호처리 멀티코어 프로세서의 전력 소비량을 측정하는 연구가 필요하다. 또한, 이러한 유형의 각 멀티코어 프로세서에 대하여 동질 코어(homogeneous core)가 아닌 비동질코어(heterogeneous core)를 채택하는 비대칭 칩 멀티코어 프로세서(asymmetric multicore processor) 구조에 대한 연구를 들 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SimpleScalar와 같은 실행 위주 방식의 단점은 무엇인가?	멀티코어 프로세서의 성능과 전력을 측정하기 위한 모의실험에는 실행 위주(execution-driven) 방식과 명령어 자취(tracedriven)방식이 널리 쓰이고 있다. SimpleScalar와 같실행 위주 방식은 정확하지만 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다[1].
	CAM 구조가 배열구조랑 다른 점은 무엇인가?	CAM 구조는 배열구조와 유사하지만, 내용으로 메모리를 어드레싱할 수 있다는 점이 다르다. 이 구조에서는 배열구조의 비트라인과 워드라인이 각각 태그라인과 매치라인에 대응된다는 점만 제외하고 배열구조와 같다. CAM 구조에 속하는 하드웨어 장치는 명령어 기동 논리장치가 대표적이다.
	정전용량의 구성 요소는 무엇인가?	워드라인과 비트라인의 전력 소비량 측정은 각 라인의 총 정전용량을 계산하여 얻을 수 있다. 워드라인과 관련된 정전용량은 워드라인 구동기의 확산 정전용량 (diffusion capacitance), 셀 접근 트랜지스터의 게이트 정전용량 (gate capacitance), 워드라인 금속선의 정전용량 (metal wire capacitance)의 세 가지로 구성된다. 한편, 비트라인의 정전용량은 선충전 트랜지스터의 확산 정전용량, 셀 접근 트랜지스터의 확산 정전용량, 비트라인 금속선의 정전용량으로부터 계산에 의하여 구할 수 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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S. Wilton and N. Jouppi, "An Enhanced Access and Cycle Time Model for On-chip Caches," WRL Research Report 93/5, DEC Western Research Laboratory, 1994.
B. Bishop, T. Kelliher, and M. Irwin, "The Design of a Register Renaming Unit," Proc. of Grear Lakes Symposium on VLSI, 1999.
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상세보기
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상세보기
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J. Lee, "A Study of Trace-driven Simulation for Multi-core Processor Architectures," Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol. 12, no. 3, pp. 9-13, Jun. 2012.
J. Lee, "Performance Study of Asymmetric Multicore Processor Architectures," Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol. 14, no. 3, pp. 163-169, Jun. 2014.

저자의 다른 논문 :

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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