High power densities and the implications of high operating temperatures on the failure rates of components are key driving factors of temperature-aware computing. The subject of this thesis is to propose thermal management scheme responding this thermal problem in different granularity of computer system such as processor, server and rack. For thermal issues on processor, elevated on-chip temperatures due to high performance has an adverse effect on cooling solution cost and, if not addressed suitably, on chip reliability. On server/rack, computer architects and system software designers need to understand the thermal consequences of their proposals, and develop techniques to lower operating temperatures to reduce both transient and permanent component failures. Until recently, tools for understanding temperature ramifications of designs of server and rack have been mainly restricted to industry for studying packaging and cooling mechanisms, with little access to such toolsets for academic researchers. Developing such tools is an arduous task since it usually requires cross-cutting areas of expertise spanning architecture, systems software, thermodynamics, and cooling systems. Recognizing the need for such tools, there has been recent work on modeling temperatures of processors at the micro-architectural level which can be easily understood and employed by computer architects for processor designs. However, there is a dearth of such tools in the academic/research community for undertaking architectural/systems studies beyond a processor - a server box, rack or even a machine room.
In this thesis we investigate the general trade-offs between temporal and spatial hot spot mitigation schemes and thermal time constants, workload variations and microprocessor power distributions. By leveraging spatial and temporal heat slacks, our schemes enable lowering of on-chip unit temperatures by changing the workload in a timely manner with Operating System(OS) and existing hardware support. And we presents a detailed 3-dimensional Computational Fluid Dynamics based thermal modeling tool, called ThermoStat, for rack-mounted server systems. We conduct several experiments with this tool to show how different load conditions affect the thermal profile, and also illustrate how this tool can help design dynamic thermal management techniques. We proposed reactive and proactive thermal management for rack mounted server and Isothermal workload distribution for rack.
지속적으로 프로세서의 성능이 향상됨에 따라 개별시스템의 전력 소모가 증가하고 또한 대규모 데이터센터에서 컴퓨터시스템들의 밀도가 높아지면서 시스템에서 발생하는 열에 의한 시스템의 고장비율 증가가 심각한 문제로 대두 하고 있다. 이에 따라 시스템의 적정 운영온도의 확보가 시스템 전체의 안정성 확보에 필수적인 요소가 되었다. 근래에 들어서 온도를 고려한(Temperature Aware) 시스템에 대한 여러 가지 연구가 활성화 되고 있으며 이들은 시스템의 중요 구성요소인 프로세서나 디스크의 온도를 최적으로 유지 하기 위한 동적인 온도관리 기법(Dynamic Thermal Management)을 제시 하고 있다. 본 논문에서는 컴퓨터 시스템의 동적 온도 관리 기법을 서로 다른 차원의 관리 대상 즉, 프로세서, 컴퓨터 서버, 그리고 시스템 랙(Rack)을 목표로 2가지의 연구를 실행 하였다.
프로세서의 성능향상은 프로세서 온도의 상승과 냉각 기술 비용을 증가 시키며 또한 적절한 관리가 이루어지지 않으면 시스템의 안정성에 심각한 영향을 준다. 기존 연구들은 시스템의 개별 구성요소에 대한 제한적인 해석을 통해 자신들의 기법이 좀더 효율적으로 적정 온도를 유지 할 수 있음을 보여 주고 있다. 하지만 시스템 엔지니어나 시스템 소프트웨어 설계자는 개별요소가 아닌 통합적인 관점에서 자신들의 서버나 랙의 설계가 어떤 온도 특성을 가지며 실제 구현 시 어떠한 온도를 가지게 될 지 알려주는 도구나 장치가 필요하다. 그러나 최근까지 이런 도구들은 주로 하드웨어 설계자나 냉각시스템 설계자들에 의해 사용되었고 학술적인 컴퓨터 시스템 연구진에게는 거의 이용 되지 않았다. 대개의 전산유체역학 해석 도구들은 이를 사용을 위해서도 열역학, 유체역학 등의 컴퓨터 시스템 연구진에는 생소한 여러 가지 횡단적인(cross sectional) 지식이 필요하다. 그럼에도 불구 하고 일부 시스템 엔지니어 특히 프로세서의 온도 특성을 연구하는 마이크로 프로세서 설계자들은 이런 도구를 이용하여 자신들의 연구를 효율적으로 진행 하고 있다. 그러나 마이크로 프로세서를 넘어선 시스템, 랙, 기계실 단위의 연구에는 이런 도구들이 이용되지 않고 있다.
이 논문에서는 프로세서 단위의 온도 관리에 대해서는 최근에 급격히 보급되고 있는 멀티코어(multi-core) 프로세서에서 시공간 온도의 균형을 위해 시스템 부하, 온도 상승 시간 특성간 의 상관 관계를 연구한다. 이미 제공된 하드웨어의 기능을 이용하여 운영 체계 수준에서 시스템의 부하를 조절 함으로서 시공간 온도의 차이를 균등화 시켜 프로세서의 최대 온도를 낮춘다. 그리고 시스템을 통합적으로 관리하는데 도움을 주기위해서 시스템의 온도 프로파일(Thermal Profile)을 구성하고 관리할 수 있는 3차원 전산유체역학 해석모델에 근거한 온도 모델링(Thermal modeling) 도구인 ThermoStat를 제시하고 ThermoStat을 이용하여 여러 가지 온도 프로파일을 어떻게 평가 하고 비교 할 수 있는지 연구 한다. 또한 이 도구가 동적인 온도 관리기법을 설계하고 평가 하는데 어떻게 이용 될 수 있는지와 데이터 센터의 부하배치를 어떻게 효율적으로 할 수 있는지 보여준다.
