With increasing system integration as a result of device scaling (for 2D dies) and 3D integration, chip power density in microprocessors is expected to exponentially increase every years. Because power consumed by the microprocessors is converted into heat, the corresponding high power density (i.e., power dissipation per unit volume) incurs many temperature-related problems in reliability, power, performance, and manufacturing cost. In this dissertation, techniques and algorithms (e.g., DVFS, power gating, and thread scheduling) are proposed to address the temperature-related issues, especially focusing on the power and the performance. In Chapter 1, the challenges of system integration are introduced. Chapter 2 reviews the related works. Chapter 3 focuses on the energy minimization issues in single processor systems. At high operating temperature, chip cooling is crucial due to the exponential temperature dependence of leakage current. In Chapter 3, we proposed a method for delivering lower energy consumption by integrating the cooling and running in a temperature-aware manner without incurring performance penalty. In order to further reduce the energy consumption, we exploited the runtime distribution of each sub-segment of a task called ‘bin’ in an analytical manner such that time budget for cooling in each bin is allocated in proportion to the probability of the occurrence of the bin. In chapter 4, we proposed a runtime power management method for both peak power and temperature constrained 3D multi-core systems in order to maximize the instruction throughput. To do that, the proposed method exploits dynamic temperature slack (defined as peak temperature constraint minus current temperature) and workload characteristics (e.g., instructions per cycle and memory-boundness) as well as thermal characteristics of 3D stacking architectures. Conclusion are drawn in Chapter 5.
반도체 시스템 집적도는 평면에서의 디바이스 스케일링 및 삼차원 집적 기술로 인해 매년 급속히 증가하고 있다. 마이크로 프로세서에서 소비되는 칩 전력은 열로 발산되기 때문에 반도체 집적도 증가로 인한 칩 전력 밀도의 증가는 신뢰도, 전력, 성능, 제작 비용 등 다양한 온도 관련된 문제를 야기시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 저전력 프로세서 시스템 또는 고성능 삼차원 멀티 프로세서 시스템에 대해서 온도를 제어하는 방법을 각각 제안한다. 저전력 프로세서 시스템에 대해서는 수행 시간 확률 분포를 가진 태스크에서 온도를 고려한 동적 전압 조절 및 파워 게이팅을 통해 칩에서 소비되는 에너지를 최소화 하기 위한 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 태스크가 수행되는 온도와 수행시간 분포를 수학적인 분석을 이용하여 스케줄러가 태스크 수행을 위한 프로세서의 동작 전압/주파수 설정 및 전원 차단을 결정하도록 한다. 본 알고리즘은 온도가 높을 수록 그리고 태스크가 수행되는 시간에 대한 확률이 많을 수록 이에 비례하여 태스크 수행 시간을 할당하여 온도 및 에너지를 줄인다. H.264, ray tracing과 같은 실제 프로그램에서 제안하는 알고리즘은 기존의 방법에 비해 19.4% ~ 27.2%의 에너지 감소 효과를 얻을 수 있었다. 고성능 삼차원 멀티 프로세서 시스템에 대해서는 주어진 온도 및 전력 제약에 대해서 성능 향상 (초당 수행되는 명령어 개수)을 위해 태스크가 수행되는 온도 및 태스크의 특성 (클럭당 수행하는 명령어 개수, 외부 메모리 접근 빈도 수 등)을 이용하여 스케줄러가 모든 프로세서들의 태스크 할당 및 동작 전압/주파수 설정을 수행한다. 본 알고리즘에서는 각 프로세서의 온도 여유 (최대 허용 가능한 온도 - 실제 온도)가 많을 수록 높은 전압/주파수를 설정하며, 또한 외부 메모리 접근 빈도 수가 적은 태스크일 수록 삼차원 프로세서들 중 냉각 성능이 좋은 프로세서에 할당한다. SPEC2000 벤치마크에서 제안하는 알고리즘은 기존의 방법에 비해 41% (평균 24%) 성능 향상을 얻을 수 있었다.
