SysteMorph

実行頻度の偏りを利用した命令コード割当て
による命令ROMの低消費電力化
○井上弘士1 V. Moshynaga1 村上和彰2
1福岡大学
工学部
2九州大学大学院システム情報科学研究院
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
1
発表手順
１．はじめに
２．命令ROMの消費エネルギー
３．低消費エネルギー化技術（従来手法）
４．低消費エネルギー化技術（提案手法）
５．評価
６．おわりに
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
2
はじめに
組み込みシステムの低消費エネルギー化
Etotal = Ecpu + Eram + Erom + Elogic
高機能化に伴う
アプリケーションコード・サイズの増大
プログラム
Inst.
ROM
CPU
Other Data
Logic RAM
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
3
はじめに
組み込みシステムの低消費エネルギー化
Etotal = Ecpu + Eram + Erom + Elogic
高機能化に伴う
アプリケーションコード・サイズの増大
プログラム
Inst.
ROM
CPU
Other Data
Logic RAM
最大約50%の低消費
エネルギー化を達成*
*)50%のビットライン・スイッチング回数を削減
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
4
命令ROMの消費エネルギー
BL0 BL1 BL2 BL3
WL
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Sense
Amp.
Sense
Amp.
Erom = Edec + Ewl + Ebl + Esa
Ref. V
Sense
Amp.
Sense
Amp.
読出しデータ
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
5
命令ROMの消費エネルギー
BL0 BL1 BL2 BL3
WL
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Sense
Amp.
Sense
Amp.
Erom = Edec + Ewl + Ebl + Esa
ビットライン・プリチャージ
Ref. V
Sense
Amp.
Sense
Amp.
読出しデータ
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
6
命令ROMの消費エネルギー
BL0 BL1 BL2 BL3
WL
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Sense
Amp.
Sense
Amp.
Erom = Edec + Ewl + Ebl + Esa
ビットライン・プリチャージ
アドレス・デコード
ワードラインの活性化
Ref. V
Sense
Amp.
Sense
Amp.
読出しデータ
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
7
命令ROMの消費エネルギー
BL0 BL1 BL2 BL3
WL
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Sense
Amp.
Sense
Amp.
Ref. V
Sense
Amp.
Erom = Edec + Ewl + Ebl + Esa
ビットライン・プリチャージ
アドレス・デコード
ワードラインの活性化
ビットライン・ディスチャージ
Sense
Amp.
読出しデータ
Koji Inoue 軽井沢ＷＳ
8
命令ROMの消費エネルギー
BL0 BL1 BL2 BL3
WL
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
Sense
Amp.
Sense
Amp.
Ref. V
Sense
Amp.
Sense
Amp.
Erom = Edec + Ewl + Ebl + Esa
ビットライン・プリチャージ
アドレス・デコード
ワードラインの活性化
ビットライン・ディスチャージ
センシング
読出しデータ
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命令ROMの消費エネルギー
BL0 BL1 BL2 BL3
WL
0
0
0
0
1
0
1
0
CB UCB CB UCB
1
1
Sense
Amp.
Sense
Amp.
1
Ref. V
Sense
Amp.
読出しデータ
Sense
Amp.
0
Erom = Edec + Ewl + Ebl + Esa
ビットライン・プリチャージ
アドレス・デコード
ワードラインの活性化
ビットライン・ディスチャージ
センシング
ビットライン・スイッチング回数は
格納された0/1パタンに比例
（つまり、読出されるUCB数に比例）
CB: Conforming Bit
UCB: UnConforming Bit（ディスチャージ発生）
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10
従来の低消費エネルギー化手法
HSI: Horizontal Strip Inversion
バス・インバーティング技術を活用してUCB数（0の数）を削減
通常のROM
Adr.0
Adr.1
Adr.2
Adr.3
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
反転フラグ（0：反転）
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
HSI
01
10
10
00
Invert?
Adr. 0, 1, 2, 3とアクセスした場合
#of UCBs = 16
#of UCBs = 8 + 2
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11
提案低消費エネルギー化手法（1/2）
IE: Instruction Encoding
命令実行頻度の偏りを利用してUCB数（0の数）を削減
出現頻度（OP-field）
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Others
OP code binary pattern (#of UCBs)
Base
Encoding
(dlxsim)
BNEZ:
SW:
LW:
ADDI:
Special:
000101
101011
100011
001000
000000
(4)
(2)
(3)
(5)
(6)
110111
111011
111101
111110
111111
(1)
(1)
(1)
(1)
(0)
出現頻度（Rs1,Rs2,Rd-field）
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Others
R31:
R3:
R2:
R29:
R1:
Base
(dlxsim)
11111
00011
00010
11101
00000
(0)
(3)
(4)
(1)
(5)
Benchmark:mpeg2dec (executed on the fast dlx simulator)
Encoding
10111
11011
11101
11110
11111
(1)
(1)
(1)
(1)
(0)
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12
提案低消費エネルギー化手法（2/2）
HSI + IE
Op-, Reg-, Func-fieldにはIE、imm-fieldにはHISを適用
命令フォーマット（32ビット）
R-type
Op
Rs1 Rs2 Rd sha Func
Rs1 Rd
Imm 16
Op
Op
Op
J-type
16bit-imm用
反転フラグ
Op
Op
I-type
Op
26bit-imm用
反転フラグ
Imm 16
Imm 26
Imm 26
HSI + IE
Invert?
Invert?
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13
命令コード割当てアルゴリズム
1. 命令レベル・シミュレーションによりアプリケーションを実行
2. プロファイル・データの採集
3. 命令出現頻度、ならびに、レジスタ参照頻度に関するラン
キング・リストを作成
4. Op, Func, Reg-fieldに関して、出現/参照頻度の高い順に
UCBの少ない符号（0の少ないビットパタン）割り当て
5. Imm-field（即値）に関して、HSI手法を適用
6. バイナリ・コード変換
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14
IE手法のまとめ
手法
エンコード
単位
エンコード ROMアクセスに関す
アプローチるオーバヘッド
HSI
ワード
空間的
1ビットの反転フラグ
IE
オペコード
フィールド
時間的
なし
HSI+IE
オペコード
フィールド
空間的＋
時間的
2ビットの反転フラグ
（1ビットのみがUCB）
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15
評価－評価対象モデルー
BASE: 基本モデル（従来型ROM）
dlxsimシミュレータで定義された命令コードを使用
ROMに格納される全てのデータは反転
HSI:
ワード単位で反転/非反転を決定
命令コードはBASEと同じ
IEsp: 実行頻度に基づいた命令コードの割当て
即値フィールドに関してはBASEと同じと仮定
プログラムそれぞれに対し、個別に命令コードを決定
IEall: BASEに対し、実行頻度に基づいた命令コードの割当て
即値フィールドに関してはBASEと同じと仮定
全てのプログラム共通の命令コードを１種類決定
HSI+IEsp: HSIとIEspの組み合わせ
HSI+IEall: HSIとIEallの組み合わせ
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17
命令ROMアクセス
消費エネルギー
HIS+IEall
HIS+IEsp
IEall
IEsp
129.compress
HSI
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
BASE
Normalized Energy
HIS+IEall
HIS+IEsp
Invert-Flag
Op-Field
Func-Field
Reg-Field
Imm-Field
IEall
IEsp
099.go
HSI
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
BASE
Normalized Energy
評価－命令ROMアクセス（1/2）ー
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18
命令ROMアクセス
消費エネルギー
HIS+IEall
HIS+IEsp
IEall
IEsp
adpcmdec
HSI
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
BASE
Normalized Energy
HIS+IEall
HIS+IEsp
Invert-Flag
Op-Field
Func-Field
Reg-Field
Imm-Field
IEall
IEsp
mpeg2dec
HSI
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
BASE
Normalized Energy
評価－命令ROMアクセス（2/2）ー
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19
評価－入力データ依存性ー
異なる入力データ・セットにおける
命令ROM消費エネルギー削減率
Input
HSI
HSI+IEsp
HSI+IEall
099.go
Test input
5.03%
51.51%
51.43%
129.compress
Test input
39.85%
60.79%
60.77%
mpeg2dec
Verify
4.72%
46.03%
43.69%
Tennis
3.59%
45.11%
42.45%
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20
おわりに
命令実行頻度の偏りを利用した命令ROMの低
消費エネルギー化手法を提案
従来技術との組み合わせ（HSI+IE）
最大約50%の低消費エネルギー化（ビットライン・
スイッチング回数の削減）
データバス、命令デコーダにおけるオーバヘッド
今後の予定
より詳細な消費エネルギー・モデルを用いた評価
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21
Backup Slides…..
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22
評価－データバス・オーバヘッドー
Normalized Bus-Switching Activity
データバス消費エネルギー
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
IEsp
IEall
099.go
129.compress
mpeg2dec
adpcmdec
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23
Normalized I-decoder Power
評価－命令デコーダ・オーバヘッドー
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
IEsp
IEall
命令デコーダ IEsp w/o Renaming
消費エネルギー IEall w/o Renaming
099.go
129.compress
mpeg2dec
＊）全配線における負荷容量はαと仮定
＊＊）各配線のスイッチング確立＝バススイッチング確立と仮定
adpcmdec
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24

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