بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مديريت توان در سيستم هاي چند هسته اي با رويکرداطمينان پذيري
چکيده
در سيستم هاي تعبيه شده ، از زماني که اندازه قطعات رو به کاهش و توان مصرفي رو به افزايش است ، قابليت اطمينان درازمدت ، بسيار مورد توجه قرار گرفته است . از آنجا که توان مصرفي زياد و اندازه کوچک قطعه ،طول عمر پردازنده ها را تحت تاثير قرار مي دهند، هم راستا با ساير اقدامات ، مديريت ديناميکي توان با توجه به تاثير آن روي دماي پروسسور مورد توجه قرار مي گيرد. در مقايسه با سيستم هاي تک هسته اي ، سيستم هاي چند هسته اي SOC داراي قابليت هاي بيشتري براي تنظيم توان مصرفي و قابليت اطمينان پذيري مي باشند.موضوع اين مقاله بيشتر روي نقطه ي اشتراک انواع مختلف استراتژيهاي DPM در پروسسورهاي چند هسته اي مي باشد. اين حقيقت اثبات شده که قابليت اطمينان پذيري با توجه به انواع استراتژي هاي DPM تغيير مي کند و از طرف ديگر نوسانات دمايي هسته بيشتر روي طول عمر آن تاثير مي گذارد. در اين ارايه يک روش جديد جهت مديريت توان ديناميکي به منظور افزايش قابليت اطمينان پذيري و طول عمر آورده مي شود.
کلمات کليدي
مديريت توان پردازنده ، اطمينان پذيري پردازنده ، طول عمر،بازده انرژي ، SDVM
۱ -مقدمه
امروزه System-on-chip- SOC- و -Network on chip- NOC بر روي پايه هاي چند هسته اي ساخته مي شوند.
در کنار بهبود در بازده اين سيستم ها، قابليت اطمينان و طول عمر از جمله زمينه هاي مورد علاقه مي باشد. با توجه به ترکيب هسته هاي - پردازشي با ساير قطعات مورد نياز سيستم در داخل SOC ها، تعويض اين هسته ها در صورت خرابي هر يک ،منتفي مي شود. علاوه بر آن اندازه کوچک و توان مصرفي به عنوان تنشي در مقابل زمان کارکرد مي باشد،که اين کارکرد زياد احتمال خرابي سيستم را افزايش مي دهد بنابراين با اين بحث ها اطمينان پذيري به عنوان پارامتري اصلي سيستم هاي تعبيه شده هم رديف بازده و مديريت توان قرار مي گيرد که بايد در طراحي ها به آن توجه شود. براي مثال RAMP[9]، مدلي را براي تخمين طول عمر پروسسور با توجه به معماري به کاررفته در آن ارايه مي دهد. در هر صورت در مقاله زير نويسنده ها بحثي راگشوده اندکه بر مبناي انتخاب هسته خاصي در زمانهاي مناسب عمل مي کندتا به قابليت اطمينان پذيري مورد نظر برسد.در اينجا الگوريتمي با تمام جزييات مد نظر ما نيست ،گذشته از اين الگوريتم ها يا مفاهيم عمقي در رابطه با مديريت ديناميکي اطمينان پذيري در حال حاضر معرفي نشده است .
همانطور که در [٧]آورده شده است ،طرحهاي DPM با تغيير دماي کارکرد پروسسورها،قابليت اطمينان پذيري سيستم رامديريت مي کنند. از عوامل اساسي در خرابي يک سيستم فساد تدريجي ، TDDB،HCI ،electron or Stress migration
مي باشند که همه ي آنها کم و بيش تحت تاثير دماي پروسسورمي - باشد. گذشته از اين موضوع که DPM باعث کاهش دماي پروسسور مي شود که البته در جاي خود سودمند است ، استفاده از اين شيوه - هاي مديريتي ،سيکلهاي دمايي مضر را در هسته ها تا حد زيادي حذف مي کند.
با اين اوصاف جهت تعادل بين مصرف توان و قابليت اطمينان پذيري شيوه ي مديريت ديناميکي توان با رويکرد اطمينان پذيري را پياده کرده ايم . در مقايسه با سيستم هاي تک هسته اي سيستم هاي چند هسته اي با به کارگيري DAP امکانهاي زيادي را پيش روي ما مي گذارد.در صورتي که قابليت انتقال کارهاي محوله بين هسته ها وجود داشته باشد مي توان اکثر هسته ها را بدون اختلال در برنامه - هاي در حال اجرا به مد خاموشي فرستاد.حجم کاري يک محيط محاسباتي موازي به قابليت موازي شدگي برنامه هاي آن دارند از اينرو DPM به حجم کاري واگذار شده واکنش نشان مي دهد که به طور آشکار جهت تحقق موثر آن فقط دسترسي و کنترل ديناميکي و پويا موثر خواهد بود.
SDVM [٣]،به عنوان ميان افزاري براي توزيع اتوماتيک و پوياي داده و کدهادر بين شبکه اي از منابع محاسباتي مي باشد که به نظر ميايد جهت کاربرد در سيستم هاي چند هسته اي نيز مفيد باشد. در عمل قابليت هاي آن شامل حذف و اضافه کردن منابع محاسباتي در حال اجرا، پياده سازي DPM فوق الذکر در سيستم - هاي چند هسته اي مي باشد.
جهت پياده سازي DPM با استفاده از درايور SDVM در سيستم چند هسته اي به فرم SOC نياز به مکانيسم مناسب مديريت توان است که بتواند هسته ها را با توجه به حجم کاري درجه بندي کند و قابليت اطمينان پذيري نيزبا اجراي سياست هاي مديريت توان در مجموعه اين سيستم به دست مي آيدشبيه سازي هاي توضيح داده - شده دراين مقاله قابليت هاي DPM در سيستم هاي چند هسته اي SOC را نشان مي دهد. در بخش ۲مفاهيم SDVM و قابليت هاي آن جهت کاربرد سيستم DPM توضيح داده مي شود. بعد از مشاهده نتايج شبيه سازي در بخش ۴،ارايه در بخش ۵با نتيجه - گيري خاتمه مي يابد.
۲- SDVM–ميان افزاري براي پياده سازي
PM روي Socها
SDVM به عنوان ميان افزاري جهت پخش داده ها در محاسبات موازي سازي شده مي باشد. هدف از طراحي آن عدم بروز اختلال در موقع اضافه و يا حذف يک واحد محاسباتي در شبکه هاي موازي - سازي مي باشد. برنامه ها و داده ها در SDVM بايد به راحتي به بخش هايي تقسيم شوند و هر قسمت بدون وابستگي به ساير عمليات ها روي واحدهاي ديگر اجرا شوند. هرواحد پردازشي که بوسيله لايه هاي مجازي SVDM مجزا شده است به عنوان يک عضو خودمختار درشبکه عمل مي کند و site ناميده مي شوند.
Siteهابوسيله ي تکنيک انتقال پيام با هم ارتباط برقرار مي کنند.
SVDM از چندين ويژگي خاص برخوردار است که قابليت پياده - سازي مديريت توان ديناميکي با رويکرد اطمينان پذيري را به صورت SOC ممکن مي سازد.
اين مشخصه ها شامل :
.عدم ايجاد اختلال هنگام تغيير در اندازه شبکه در پردازش موازي
.زمان بندي ديناميکي پخش شده و بالانس اتوماتيک بار.
.قابليت کارکرد با انواع مختلف منابع موجود در شبکه
موازي از قبيل معماري متفاوت و يا سرعت پردازش متفاوت
.پشتيباني از انواع توپولوژي هاي شبکه اي
با توجه به ويژگي هاي ذکر شده SVDM به عنوان گزينه اي مناسب جهت کاربرد بالا مي باشد که مدهاي مختلف تواني را در
SOC در بر مي گيرد.
۲-۱-مجتمع سازي مديريت توان
با به کار بردن مدول جديد، توانايي هاي مديريت انرژي با استفاده از SVDM پياده سازي مي شود که توانايي کنترل Site محلي را دارد با اين توضيح که هر Site،جداگانه براي خود تصميم بگيرد ممکن است مواقعي پيش بيايد که همه Siteهاتصميم به خاموشي بگيرد با توجه به اين مشکل از الگوريتم هاي انتخاب خاصي استفاده مي کنند که با تعريف مستر به Site ها اولويت مي دهد.مستر به صورت منظم با توجه به بارکاري و دماي هسته ها اقدام به پيکربندي آنها مي کند اين اطلاعات ازداخل شبکه بوسيله مکانيزم پيام SDVM پخش مي شوند. مستر ممکن است تصميم به خاموش کردن خود و يا انصراف از مستر بودن را بدهد که در اين حال الگوريتم انتخاب دوباره از اول شروع به انتخاب مستر ديگري از بين بقيه مي کند. بعد از انتخاب مستر بقيه Site ها گوش به زنگ دريافت دستورات مديريت انرژي از طول مستر جديد خواهند بود.
سيستم هاي مديريت سطح بالا مي توانند مصرف توان را با اندازه - گيري پارامترهايي از قبيل (تنظيم فرکانس -تنظيم ولتاژ-توان نشتي و ...)مديريت کنند بي شباهت به سيستم هاي مديريت توان استاتيک ، سيستم هاي ديناميکي به صورت پويا و پيوسته و در زمان اجرا به مديريت مصرف توان مي پردازند.
دماي يک پردازنده به مصرف توان آن بستگي دارد و سيستم هاي مديريت توان ديناميکي متوسط دماي آن را کاهش مي دهند و در نتيجه طول عمر قطعه نيز افزايش مي يابداما همان طور که در [٧]
گفتيم سوئيچ کردن بين مدهاي مختلف مصرف توان ،منجر به سيکل هاي دمايي مي شود که به نوبه خود باعث خرابي هايي در اتصالات کشيده شده ، خستگي لحيم ، فيفرهاي عيب دار مي شود و اين عوامل به عنوان عامل اصلي در خرابي سيستم مي باشند.
۲-۲-شبيه سازي مديريت انرژي با رويکرد اطمينان پذيري
قابليت اطمينان پذيري بلند مدت در يک پروسسور تحت تاثير دماي کاري آن و سيکل هاي دمايي مي باشد. تاثير دما بوسيله معادلات Arrheniusمدلسازي مي شود که تاثير دما در سرعت واکنش هاي شيميايي را بيان مي دارد.-mean-time-to ) MTTF (failure بوسيله ي فرمول زير براورد مي شود.
که در ان Tدماي عملکرد در مقياس کلوين وK ثابت بولتزمان و Ea انرژي فعالسازي با واحد الکترون ولت مي باشد.معادله Arrhenius پايه اي براي مدل کردن مکانيزم خرابي سيستم وابسته به دما ارائه مي کند.
با داشتن دانش مربوط به فيزيک و قوانين ساخت چيپ و مواد بکار رفته در ان مدلي براي انواع مکانيزم هاي خرابي بدست مي ايد (مانند[٩] RAMP) وبدون داشتن اين دانش نيازي به محاسبه و استخراج مدل بسيار دقيق با جزئيات کامل منتفي مي شود. در عوض ازمعادله يک که به صورت کلي وابستگي دما به قابليت اطمينان پذيري را بيان ميدارد، استفاده مي کنيم . بنابراين مقاديري را براي معادله بالا که به طور معمول به کار مي رود جايگزين مي کنيم تا معادله ساده تر شود. براي مثال به جاي Ea مقدار0.9eV به کار برده مي شود.
تاثير سيکلهاي دمايي در قابليت اطمينان چيپ بوسيله معادله Coffin-Manson بيان مي شود که تعداد سيکلهاي لازم براي خراب شدن را محاسبه مي کند[٦].
و در ان دامنه سيکلهاي دمايي ، ثابت وابسته به ماده ي به کار رفته و qبه مکانيزم خرابي بستگي دارد مهمترين اين مکانيزمها عبارتند از:اتصالات سيمي لحيم شده ، خستگي لحيم کاري ، خرابي بسته ها.در اين مقاله براي اين مقدار ١.٩ [٩]را به کار مي بريم .
براي نيل به هدف از مقايسه معادلات ۱و۲با اعمال انواع استراتژي هاي PM توضيح داده شده در بالا وهمچنين حالت بدون سيستم مديريتي استفاده مي کنيم .
(acceleration factor) به ترتيب بيان کننده ي شتاب زماني براي خرابي سيستم با توجه به دما و يا سيکل دمايي ميباشد. با اين اوصاف زمانهاي کم مطلوب ماست . مقادير کمتر از ۱،طول عمر را نسبت به سيستم هاي بدون مديريت انرژي طولاني تر مي کند. وابسته به MTTF مي باشد که در معادله ۳آورده شده است .
براي محاسبه AF در معادله Coffin-Monson هيچ مقداري براي در معادله ۲نياز نداريم ( از آنجايي که حذف مي شود) در استراتژي هاي PM متفاوت ،گذشته از تغيير دامنه ي سيکل هاي دمايي به سيکل فرکانسي f نيز نياز داريم بنابراين معادله ۴ براي محاسبه ي استفاده مي شود .
۲-۳- سياست هاي مديريت توان
با توجه به بخش قبل ، استراتژي هاي مديريت توان جهت افزايش قابليت اطمينان سيستم بايد تغييرات دمايي را تا حد امکان کاهش دهد هر يک از استراتژي هاي مديريت توان با اثرات مطلوب در يک پارامتر،ممکن است اثرات جانبي نامطلوب ولي با شدت کم ايجاد نمايد با اين اوصاف هميشه بين مصرف توان ، بازده و قابليت اطمينان سيستم بده بستاني وجود خواهدداشت که انتخاب هر يک از آنها به سياست هاي مورد نظر بستگي دارد . در اين شبيه سازي دو روش مديريت توان ديناميکي با رويکرد اطمينان پذيري مورد توجه است استراتژي دماي پايين که سعي در پايين نگه داشتن دما تا حد ممکن را دارد. و دومي استراتژي دماي متعادل و هموار مي باشد که در آن از سيکل هاي دمايي و تغييرات دمايي جلوگيري مي شود. به عبارت ديگر استراتژي دماي پايين دماي هسته را در Tmax داده - شده محدود مي کند اين روش بيشتر روي بازده مانور مي دهد و از اطمينان پذيري سيستم کاسته مي شود شيوه مديريت در آن بيشتر شبيه سيستم هاي مديريت توان معمولي مي باشد.
شکل يک دياگرامي از مديريت توان با دماي هموار را نشان مي دهد.
محيط شبيه سازي از پروسسوري با چهار هسته همگن تشکيل شده که هر هسته چهار مد کاري مديريت توان را دارد که در جدول ۱ نمايش داده شده است .
