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면적 제약 조건을 고려한 NTC 매니코어 설계 방법론
Area-constrained NTC Manycore Architecture Design Methodology 원문보기

한국정보통신학회 2015년도 추계학술대회, 2015 Oct. 26, 2015년, pp.866 - 869  

장진규 (성균관대학교) ,  한태희 (성균관대학교)

초록
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시스템-온-칩(system-on-chip, SoC)내에 집적되는 소자의 수가 기하급수적으로 증가함에 따라 에너지 효율을 높이기 위한 전압 스케일링은 필수적인 요소가 되었다. 문턱전압 근처 동작(near-threshold voltage computing, NTC)은 칩 에너지 효율을 10배 가까이 향상시킬 수 있는 기술로서 전통적인 초 문턱전압 동작(super-threshold voltage computing, STC)의 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 저성능 매니코어(manycore) 시스템으로 동작하는 NTC는 에너지 효율을 극대화할 수 있지만 성능 유지를 위한 코어 수의 증가는 상당한 면적 증가를 수반한다. 본 논문에서는 성능, 전력 및 면적 간의 trade-off를 고려하여 면적 제약조건 하에서 NTC 코어 수 및 캐시클러스터 크기 결정 알고리즘을 통해 요구 성능을 만족시키면서 전력 소모를 최적화하는 방법을 제안한다. 실험을 통해 면적 제약조건 속에서 기존의 STC 코어에서의 성능을 유지한 채 전력소모를 약 16.5% 감소시킬 수 있음을 보여준다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With the advance in semiconductor technology, the number of elements that can be integrated in system-on-chip(SoC) increases exponentially, and thus voltage scaling is indispensable to enhance energy efficiency. Near-threshold voltage computing(NTC) improves the energy efficiency by an order of degr...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 캐시 미스비율 Mrate는 L2 캐시 용량 SL2(1) 및 클러스터 크기 변화에 따라 값이 결정 되며 L2캐시의 미스에 따른 지연 시간 증가(미스 페널티) Lmiss는 gem5환경에 의해 정해진다. STC와 NTC 프로세서에서 각각의 코어 수 N와 주파수 f 그리고 SL2(1)에 따라서 TP가 바뀌게 되고 특정 STC 성능조건과 동일한 NTC 프로세서 설계를 목표로 한다.
  • 본 논문에서는 NTC 프로세서 기반 매니코어에서 면적 제약조건 속에서 성능 요구치를 만족하면서 소비 전력을 최소화 하는 설계 방법을 제안하였다. 제안하는 설계 방법은 NTC프로세서의 성능, 면적 및 전력 모델에 기반 하여 면적 제약조건에 맞는 코어 수와 클러스터 단위를 결정하고 전력 최적화를 위한 전압 및 주파수를 설정해준다.
  • 본 논문에서는 STC와 NTC 프로세서의 특성을 분석 하여 면적 제약 조건을 만족시키는 NTC 매니코어 아키텍처 설계 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 gem5 simulator를 통해 코어, 캐시 및 메모리 시스템을 포함 하는 시스템레벨에서 NTC 매니코어 아키텍처의 코어수, 캐시 크기 및 클러스터 구성에 따른 성능, 에너지 소모 및 면적 변화를 분석하여 설계 사양과 제약조건을 만족시키기 위해 필요한 적정한 코어 개수와 캐시 및 클러스터의 크기를 결정하는 알고리즘을 제안한다.
  • 제안하는 NTC 프로세서 설계 방법을 통해 기존의 STC 프로세서의 성능을 유지하면서 제한된 면적 제약 조건 속에서 소비 전력 최소화를 목표로 한다. 실험은 2-core STC 프로세서의 성능을 유지하는 150mm2의 면적 제약조건, 4-core STC프로세서의 성능을 유지하는 230mm2의 면적 제약조건, 6-core STC프로세서의 성능을 유지하는 310mm2의 면적 제약조건의 경우로 진행되 었다.

가설 설정

  • β는 코어 수 및 캐시 크기에 상관없이 메모리 컨트롤러의 개수를 한 개로 가정함에 따라 본 논문에서는 상대적으로 무시할만한 상수로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
문턱전압 근처 동작이란 무엇인가? 반도체 기술의 지속적인 발달로 인한 집적도 증가에도 불구하고 소위 전력 장벽(Power wall) 문제로 인해 에너지 효율성을 고려한 매니코어(Manycore) 시스템이 주류로 부상하게 되었다. 한편, 근본적으로 동작 전압 제곱에 비례하는 동적 전력소모를 획기적으로 낮추기 위해 동작 전압을 문턱 전압(threshold voltage) 근처까지 낮춘 기술을 문턱전압 근처 동작(Near-Threshold Voltage Computing, NTC) 이라 한다. NTC는 트랜지스터 동작 전압을 문턱 전압 근처까지 낮추어 전통적인 초 문턱전압 동작(Super-Threshold Voltage Computing, STC)과 비교하여 에너지 효율을 10배 가까이 향상시킬 수 있지만 성능 감소와 공정 편차에 의한 동작 결함 가능성 증가 같은 문제들을 발생시킨다.
NTC의 장단점은 무엇인가? 한편, 근본적으로 동작 전압 제곱에 비례하는 동적 전력소모를 획기적으로 낮추기 위해 동작 전압을 문턱 전압(threshold voltage) 근처까지 낮춘 기술을 문턱전압 근처 동작(Near-Threshold Voltage Computing, NTC) 이라 한다. NTC는 트랜지스터 동작 전압을 문턱 전압 근처까지 낮추어 전통적인 초 문턱전압 동작(Super-Threshold Voltage Computing, STC)과 비교하여 에너지 효율을 10배 가까이 향상시킬 수 있지만 성능 감소와 공정 편차에 의한 동작 결함 가능성 증가 같은 문제들을 발생시킨다.[1]
에너지 효율을 향상시키는데 집중되어 온 NTC 프로세서 연구는 어떠한 한계를 가지는가? 기존의 NTC 프로세서 연구는 코어 수 증가에 따른 면적 증가 문제를 고려하지 않은 채 에너지 효율을 향상시키는데 집중되어 왔다. 이러한 연구들은 제한된 면적 제약조건 속에서 요구 성능을 유지한 채 에너지 효율을 최적화하는데 한계를 가지게 된다. 본 장에서는 기존 연구의 한계를 극복하기 위한 방법으로 NTC의 특성을 분석한 모델링을 통해 제한된 면적 조건을 만족하면서 STC의 성능을 유지할 수 있는 NTC 코어 수와 함께 캐시 및 클러스터의 크기를 결정하는 알고리즘을 제안한다.
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