초록

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주어진 작은 크기의 칩 내부에 많은 기능 (예: 멀티미디어, 음성/영상 등)을 작동시키기 위해서는 고집적(high-integration)의 회로가 구현되게 된다. 이러한 고집적 회로는 작동할 때 상당한 양의 전력 소모를 유발하게 되어 결국 배더리 수명을 단축시키는 상황을 가지게 한다. 더욱 심각한 상황은 고 밀도의 칩 안에서의 많은 전력 소모는 열의 발생을 더욱 가속화 시키게 되며, 결국 칩 작동의 신뢰성(reliability)을 상당히 잃게 만든다. 본 연구에서는 칩의 작동에 따른 열 발생으로 유발되는 칩의 온도 상승을 감지하는 센서회로 구현에 관한 것이다. FPGA 칩은 주 목적의 기능을 수행하는 회로들을 구현함과 동시에 추가적으로 열 감지 센서 회로를 구현할 자원을 FPGA가 제공을 해 주어야 하는데, 주목적의 회로 공간(즉, 자원) 사용으로 인해 열 센서 회로 구현 자원이 충분하지 않을 경우나 여러 지역에 사용 가능한 자원이 소규모로 흩어진 경우 등 센서 구현을 위한 자원 탐색 및 구현 가능성에 대해 점검하는 알고리즘이 필요하다. 본 연구는 이러한 알고리즘을 개발하여 그 효용성을 실험을 통해 보이고 있다. 제안한 알고리즘의 특징은 Branch-and-Bound에 기반을 두고 있으며, 알고리즘의 수행 시간 단축을 위한 효과적인 search tree pruning 기법을 제안하고 있다.

주어진 작은 크기의 칩 내부에 많은 기능 (예: 멀티미디어, 음성/영상 등)을 작동시키기 위해서는 고집적(high-integration)의 회로가 구현되게 된다. 이러한 고집적 회로는 작동할 때 상당한 양의 전력 소모를 유발하게 되어 결국 배더리 수명을 단축시키는 상황을 가지게 한다. 더욱 심각한 상황은 고 밀도의 칩 안에서의 많은 전력 소모는 열의 발생을 더욱 가속화 시키게 되며, 결국 칩 작동의 신뢰성(reliability)을 상당히 잃게 만든다. 본 연구에서는 칩의 작동에 따른 열 발생으로 유발되는 칩의 온도 상승을 감지하는 센서회로 구현에 관한 것이다. FPGA 칩은 주 목적의 기능을 수행하는 회로들을 구현함과 동시에 추가적으로 열 감지 센서 회로를 구현할 자원을 FPGA가 제공을 해 주어야 하는데, 주목적의 회로 공간(즉, 자원) 사용으로 인해 열 센서 회로 구현 자원이 충분하지 않을 경우나 여러 지역에 사용 가능한 자원이 소규모로 흩어진 경우 등 센서 구현을 위한 자원 탐색 및 구현 가능성에 대해 점검하는 알고리즘이 필요하다. 본 연구는 이러한 알고리즘을 개발하여 그 효용성을 실험을 통해 보이고 있다. 제안한 알고리즘의 특징은 Branch-and-Bound에 기반을 두고 있으며, 알고리즘의 수행 시간 단축을 위한 효과적인 search tree pruning 기법을 제안하고 있다.

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 그러면 문제는, 주어진 LUT와 channel을 가지고 원하는 진동수의 범위를 가지는 홀수 개 inverter가 이어진 cycle이 존재하는가 여부를 알아내는 것이다. 위에서 밝힌 듯이, inverter와 channel의 delay 총합이 진동수와 반비례 관계이기 때문에, 이 문제는 즉 원하는 delay 총합의 홀수 길이 cycle이 존재하는지를 알아보는 것이다.
• 본 연구에서는 ring-oscillator 기반 sensor 구현을 찾기 위한 Branch-and-Bound 알고리즘을 제시하였다. 특히 tight한 upper, lower bound 값을 찾는 데에 그 중점을 두었다.
• 본 연구에서는, 현재 FPGA (field programmable gate array [현장 프로그래밍 가능한 게이트 어레이], 반도체 소자의 일종) 등에서 이용되는 Ring-oscillator sensor를 주어진 자원 제약과 지연시간 조건에서 설계하는 기법을 제안하고 있으며, 특히 sensor를 FPGA의 한정된 여분의 자원(논리 구현을 위한 회로)에 구현하기 위한 자원 탐색에 초점을 맞추고 있으며, 본 연구에서는 Branch-and-Bound 기법에 기반한 방법으로 back-tracking을 효율적으로 수행하는 방법을 제시 한다.
• 그러면 문제는, 주어진 LUT와 channel을 가지고 원하는 진동수의 범위를 가지는 홀수 개 inverter가 이어진 cycle이 존재하는가 여부를 알아내는 것이다. 위에서 밝힌 듯이, inverter와 channel의 delay 총합이 진동수와 반비례 관계이기 때문에, 이 문제는 즉 원하는 delay 총합의 홀수 길이 cycle이 존재하는지를 알아보는 것이다. 따라서 "원하는 delay 합 범위를 가진 cycle이 있는가?"를 판별하는 것이 문제이다.

가설 설정

• 이 때 같은 LUT 쌍 사이에는 모서리가 없거나 하나뿐이라고 가정한다. Delay의 경우, inverter는 각각 D_I의 일정한 값을 가진다고 하고, LUT A와 B사이의 channel은 각각 고유한 delay인 E[A,B]를 갖고 있다고 가정한다.
• 홀수 개 LUT로 inverter를 구현할 수 있다고 가정한다.(본 연구에서는 한 개의 LUT에 한 개의 inverter를 구현한다는 가정을 한다.

제안 방법

• 각각 알고리즘에서 효율성의 척도로서 탐색하는 과정에서 탐색하는 경우의 수를 측정하였으며 (표 1 참조), 알고리즘 1과 2의 차이, 그리고 2와 3의 차이를 각각 %로 나타내었다. 즉, (#1-#2)/#1, (#3-#2)/#2 의 값을 구하여 표 2에 비교하였다.
• 본 연구에서 제안한 알고리즘은 Branch-and-Bound에 기초한 최적의 해 (즉, 조건을 만족하는 해가 있다면 반드시 찾게 되는)를 찾는 방법이다. 즉, 일단 back-tracking 방법을 사용하여, 구하고자 하는 해가 존재 한다면 반드시 찾을 할 수는 있다.

대상 데이터

• 즉, (#1-#2)/#1, (#3-#2)/#2 의 값을 구하여 표 2에 비교하였다. 실험에 사용된 입력 데이터는 크기를 골고루 한, 다양한 방법으로 랜덤 생성하여 사용하였다.

이론/모형

• ) 본 연구에서는, LUT 사이는 channel을 통해 잇는다. 이 문제의 경우는 간단하게 하기 위해서 총 n개의 LUT를 정점(node)으로 하고, channel은 이를 연결하는 edge로 한 그래프(graph) 모델을 사용하였다. 이 때 같은 LUT 쌍 사이에는 모서리가 없거나 하나뿐이라고 가정한다.

성능/효과

• 특히 tight한 upper, lower bound 값을 찾는 데에 그 중점을 두었다. 또한 실험을 통해 일반적인 back tracking과 비교했을 때, 대부분의 경우 그 효율성이 크다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

• 추후로, 이번 시뮬레이션에서 나온 특수한 경우들에 대한 추가 실험을 수행하고, 탐색 방법으로 breadth-first search, 혹은 best-first search 등의 다양한 탐색 방법을 이용해서 비교하는 등의 연구를 진행해서, 더 효율적인 방법을 찾을 수 있을 것이다. 또한 이 연구 결과를 이용, ring-oscillator sensor를 효율적으로 설계하는 데에 상당히 유용하게 사용될 수 있을 것으로 전망된다.
• 여러 다수의 ring-oscillator가 비슷한 진동수를 가지면, 한개의 processor가 시간차를 두고 모든 sensor 정보를 관리, 제어 할 수 있을 것이다. 즉, 거꾸로 현재 조건에서 원하는 진동수를 가진 ring-oscillator를 구성할 수 있는지 알 수 있다면, 이를 이용, processor를 효율적으로 이용할 수 있을 것이다. 예를 들자면, 4개 sensor를 무작위로 설정해서 processor가 4개 필요한 경우가 있을 때, 각각 sensor의 설치 위치를 고려해서 적합한 진동수 범위를 찾는다면, 이 모든 sensor를 한 processor에서 관리할 수도 있고, 그렇지 않더라도 2개 정도로 줄일 수 있는 경우가 있다.
• 추후로, 이번 시뮬레이션에서 나온 특수한 경우들에 대한 추가 실험을 수행하고, 탐색 방법으로 breadth-first search, 혹은 best-first search 등의 다양한 탐색 방법을 이용해서 비교하는 등의 연구를 진행해서, 더 효율적인 방법을 찾을 수 있을 것이다. 또한 이 연구 결과를 이용, ring-oscillator sensor를 효율적으로 설계하는 데에 상당히 유용하게 사용될 수 있을 것으로 전망된다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
ring-oscillator sensor	ring-oscillator sensor의 장점은?	온도를 감지하는 sensor는 여러 가지 종류가 있다. 그중에서도 여기서 이용할 sensor 종류는 ring-oscillator sensor (그림 1참조) [4]로 회로 시스템의 설계 구현과 동시에 구현을 하여 FPGA에 넣을 수 있기 때문에 임베디드 시스템 응용 설계처럼 특정 application를 구현하는 시스템 설계에 쉽게 적용, 이용될 수 있다. 우선 ring-oscillator의 원리를 설명하자면 다음과 같다.
고집적 회로	고집적 회로의 단점은?	주어진 작은 크기의 칩 내부에 많은 기능 (예: 멀티미디어, 음성/영상 등)을 작동시키기 위해서는 고집적(high-integration)의 회로가 구현되게 된다. 이러한 고집적 회로는 작동할 때 상당한 양의 전력 소모를 유발하게 되어 결국 배더리 수명을 단축시키는 상황을 가지게 한다. 더욱 심각한 상황은 고 밀도의 칩 안에서의 많은 전력 소모는 열의 발생을 더욱 가속화 시키게 되며, 결국 칩 작동의 신뢰성(reliability)을 상당히 잃게 만든다.
ring-oscillator의 원리	ring-oscillator의 원리를 설명하시오.	우선 ring-oscillator의 원리를 설명하자면 다음과 같다. 홀수 개의 inverter가 연결된 loop 에 전기를 통하면, 그 신호가 계속 공전 하게 된다. 각 inverter와 channel마다 전기 신호가 이동하는 데에 delay가 생긴다. 이 delay의 총합만큼의 시간이 흐르면 0의 신호가 1로 바뀐다. 그러면 delay 총합의 2배에 해당하는 시간이 이 ring oscillator의 주기가 된다.

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