演算器配列型アクセラレータの温度解析九州大学大学院システム情報科学府花田高彬九州大学大学院システム情報科学研究院井上弘士，村上和彰 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 1 発表手順 • 組込み携帯機器向けプロセッサへの要求 • 高性能化と低消費エネルギー化を実現するプロセッサADEXOR • 研究目的 • 温度解析実験 • まとめ 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 2 組込み携帯機器向けプロセッサへの要求 • 高性能 – 高機能・負荷の大きい様々なアプリケーション • 低消費エネルギー – 長時間使用の要求（バッテリー駆動のため、エネルギーは有限）二つの要求を満たす技術カスタム命令実行 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 3 基本命令実行とカスタム命令実行命令実行順序プロセッサが実行する命令群 … C = A + B; D = A + C; B = B - 1; Z = X + Y; C = A + B; D = A + C; B = B + 1; X = X - 1; … C=A+B 1サイクル後 D=A+C 1サイクル後 B=B-1 1サイクル後 Z=X+Y C = A + B; プロセッサメモリ実行する命令を伝える 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 4 基本命令実行とカスタム命令実行命令実行順序プロセッサが実行する命令群 … C = A + B; D = A + C; B = B - 1; Z = X + Y; C = A + B; D = A + C; B = B + 1; X = X - 1; … 頻発する同じ命令列 ⇒一纏めにして実行 C = A + B; D = A + C; B = B - 1; CI#1(A,B,C,D) カスタム命令メモリ CI : Custom Instruction 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 5 基本命令実行とカスタム命令実行プロセッサが実行する命令群 CI#1(A,B,C,D) 1サイクル後 … Z=X+Y 命令実行順序 CI#1(A,B,C,D,) 1サイクル後 Z = X + Y; CI#1(A,B,C,D) CI#1(A,B,C,D,) X = X - 1; … CI#1(A, B; C, D) 1サイクル後カスタム命令CI#1を実行可能なプロセッサ X = X - 1; メモリ実行する命令を伝える 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 6 カスタム命令実行の利点 • 高性能化及び低消費エネルギー化 – 実行命令数削減による総実行クロックサイクル削減 • 実行時間の削減を狙える • 総消費エネルギー削減が狙える – メモリ等の構成要素へのアクセス回数削減 • アクセスによって消費されるエネルギーの削減が狙えるこれらの利点は実行可能なカスタム命令数が多いほど効果が大きい 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 7 カスタム命令実行を可能とするプロセッサ～ADaptive EXtensible processOR(ADEXOR)～実行可能命令＋，－，＆，etc… 構成情報保持メモリレジスタファイル FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU パイプライン・レジスタ RISC命令実行部 FU RFU FU FU MUX カウンタ FU FU FU CRFU パイプライン・レジスタ汎用プロセッサ部データの流れ制御信号の流れカスタム命令実行部 (RFU) 動的消費エネルギーの評価結果：16％の消費エネルギー削減を達成 CRFU : Coarse-grain Reconfigurable Functional Unit, RFU : Reconfigurable Functional Unit H. Noori, F. Mehdipour, K. Inoue and K. Murakami “Enhancing Energy Efficiency of Processor-Based Embedded Systems through Post-Fabrication ISA Extension”. ISLPED, 2008. 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 8 研究動機と研究目的 • ADEXORの静的消費エネルギーは未評価 – 消費エネルギーの評価には動的＆静的評価が必要 • 静的消費エネルギー評価には温度解析が必要 – 静的消費エネルギーの原因となるリーク電流は温度に強く依存するため • 演算器配列型アクセラレータRFUに着目 – ADEXORの内で最も消費電力が多い – カスタム命令の高頻度実行時は発熱量が大きい研究目的演算器配列型アクセラレータRFUの温度解析 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 9 実験環境とプロセッサモデルプロセッサモデル図 • 実験環境ヒートスプレッダ 2.6x2.6.1.0 [mm 3] – シミュレータ：温度解析シミュレータ “HotSpot” – ベンチマークプログラム： “MiBench” より15種類 – 可変パラメータ：動作周波数 • 消費電力は動作周波数に比例 • 可変幅：130MHz ～ 650MHz – 大気の温度:45℃と想定 [HotSpot] K. Skadron, et al . ``Temperature-aware Microarchitecture,’’ ISCA, 2003. 2015/9/30 ヒートシンク 5.2x5.2x6.9 [mm3 ] プリント基板 RFU 1.7x1.7x0.15 [mm 3] FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU FU RFUのフロアプラン C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 10 カスタム命令実行頻度及び RFU定常温度分析結果 260MHz 390MHz 520MHz 48 650MHz CI頻度温度：+3.03℃ ↓ リーク電流：1.26倍 47.5 47 多くのプログラムは温度上昇僅少 46.5 46 45.5 gs m cr c fft sh a ad pc m qs or t su sa n cjp eg djp eg la m di e jk st ra pa tr st ri n ici a gs ea rc bl h ow fis h ba sic m at h 45 100.00% 90.00% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% CI実行頻度（％） RFU温度 (℃) HOT!! 130MHz ベンチマーク・プログラム 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 11 まとめと今後の課題 • 研究目的：RFUの温度解析 – リーク電流への影響を考慮 • 解析実験結果 – 多くのプログラム：温度上昇幅 1℃以下 – 最悪ケース：温度上昇幅 3.03℃ →リーク電流 1.26倍（外気温度45℃ ） • 今後の課題 – ADEXORの静的消費エネルギー評価 • 温度上昇とリーク電流増加による相互状態悪化を考慮 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 12 • 関係式 IleakRFU   IleakG ATE リーク電流増加の割合リーク電流の温度依存性 2.60 2.20 1.80 1.40 1.00 45 47 49 51 53 55 57 RFU温度（℃） IleakG ATE  nN  kN  Ileakn MO S  nP  kP  Ileakp MO S W  Vth  2 I leakMOS  I O   T  exp  k  L T   [2] D. Parikh, Y. Zhang, K. Sankaranarayanan, K. Skadron and M. Stan “Comparison of State-Preserving vs. Nonstate-Preserving Leakage Control”. WDDD, June 2003. 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 13 RFU温度と動作周波数およびCI実行頻度の関係性 45-47 47-49 49-51 51-53 53-55 55-57 57 55 53 51 2.60 1170 2.40 49 910 2.20 2.00 1.60 390 1.40 動作周波数 (MHz) 1.20 45 130 10% 1.00 45 46 2015/9/30 47 650 1.80 47 48 49 50 51 52 53 54 55 RFU 定常温度（℃）静的消費エネルギー増加の割合 – 高温になる条件 • CI実行頻度100％ • 動作周波数1.3GHz ⇒56.7℃まで上昇 – 45℃から56.7℃まで上昇するとリーク電流は約 2.4倍 30% 50% 56 57 RFU温度（℃） C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 70% 90% CI 実行頻度 14 各FUの温度上昇要因温度変動モデル式 PFU (t ) TFU (t )  Tamb TFU (t )  dt  dt Cthermal Rthermal Cthermal TFU (t ) ：FUの温度 Tamb ：外気温 PFU (t ) ：時刻tにおけるFUの消費電力 Rthermal ：FUの熱抵抗（熱の伝わりにくさ） Cthermal ：FUの熱容量（温度の変動しにくさ） FU 消費電力 PFU  CI exe_ freq  fCLVdd 2 放熱要素発熱要素 CI exe_ freq ：CI実行頻度  ：スイッチング確率 f ：動作周波数 CL ：負荷容量 Vdd ：電源電圧 RFUの温度はカスタム命令実行頻度，動作周波数に影響を受ける W. Huang, K. Sankaranarayanan, K. Skadron, R. J. Ribando, M. R. Stan ‘’Accurate, Pre-RTL Temperature-Aware Design Using a Parameterized, Geometric Thermal Model’’.IEEE Transactions on Computers, Sept. ‘08. 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 15 結果1’:RFU定常温度解析実験 130MHz 260MHz 390MHz 520MHz 650MHz CI化命令率 47.5 47 46.5 46 45.5 cr c gs m -d gs m -e fft qs or t su sa n cjp eg djp eg la m di e jk st ra pa t st ri n rici a gs ea rc bl h ow fis h sh a ad pc m ba sic m at h 45 CI実行頻度（△） CI に含まれた実効命令率（◇） 100.00% 90.00% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% 48 RFU定常温度 (℃) CI頻度ベンチマーク・プログラム 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 16 RCモデルについて • 2次元実装チップ熱伝導モデル“RCモデル” – – – – 熱伝導性と電気電流の双極性チップの消費電力から温度の見積りが可能複雑な熱伝導問題を電気回路問題として扱う熱伝導と電流の類似性を反映温度 T 熱抵抗 Rt ))) 電位 V 電気抵抗 R ((((( Hot 熱の流れ 2015/9/30 静電容量 C Cool 熱容量 Ct 電流 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 17 ADEXORの特徴 • 主な構成 – 汎用プロセッサ（ホストプロセッサ） – 演算器配列型アクセラレータ(RFU) • 消費エネルギー削減効果クロック信号による消費エネルギープロセッサ内の各構成要素アクセスによる消費エネルギー RFUでのカスタム命令実行による消費エネルギー EAD  Eclock Nexe_ cc   Ecomp accesscomp   ECRFU comp 総実行命令数と構成要素へのアクセス回数を削減 2015/9/30 C-12-32 演算器配列型アクセラレータの温度解析（電気情報通信学会総合大会） 18