Thermal and energy management techniques for multi-core and many-core systems
Federico Terraneo · 2015
La strada attualmente perseguita per incrementare la potenza di calcolo dei sistemi di computazione consiste nel passare dall'incremento del parallelismo a livello di istruzione all'introduzione di piu flussi di esecuzione paralleli, con architetture multiprocessore gia affermate e diffuse, mentre architetture con un numero elevato di processori, dette many-core gia utilizzate come acceleratori per applicazioni specifiche, quali il calcolo scientifico. Ci si aspetta che queste architetture diventeranno sempre piu affermate anche per applicazioni generali nel breve futuro. Questo fatto, unito alla progressiva riduzione delle dimensioni dei transistor sta causando problemi di affidabilita in quanto la densita di potenza delle architetture attuali, unita alla disuniforme distribuzione del consumo tra i vari processori e le loro unita funzionali genera dei punti caldi e cicli termici causati da dei carichi di CPU variabili. Queste ed altre considerazioni portano al cosiddetto problema del dark silicon, dove la ridotta capacita di dissipare il calore generato forza a ridurre il numero di transistor che possono essere tenuti operativi alla massima frequenza ad una frazione che si riduce con il progredire dell scaling tecnologico. Questo porta ad una riduzione dell'incremento di prestazioni nel passaggio da una generazione alla successiva, nonstante il suddetto scaling secondo la legge di Moore continui. Inoltre, ci si aspetta che l'introduzione di tecnologie innovative per incrementare la capacita di calcolo quali il 3D stacking, che consiste nel costruire un circuito integrato con piu strati di silicio dotati di componenti attivi, causino un ulteriore incremento della densita di potenza, richiedendo quindi tecniche molto piu elaborate di quelle utilizzate attualente in produzione per controllare la dissiapzione di potenza all'interno dei futuri sistemi multiprocessore. Lo scopo della presente tesi di dottorato e duplice. Innanzitutto, sono state sviluppate delle innovative tecniche per controllare la temperatura dei futuri sistemi multiprocessore, nonche la potenza dissipata, basandosi sulla teoria del controllo. Inoltre, un flusso di simulazione e stato sviluppato, in grado di verificare le prestazioni delle suddette politiche di controllo. Il simulatore puo simulare una architettura multiprocessore a livello del singolo ciclo macchina ed e dotato di accurati modelli per quanto riguarda sensori e attuatori, essendo quindi in grado di simulare le politiche in un ambiente realistico, tenendo conto delle non idealita degli attuatori e dei sensori, nonche dei costi di attuazione. Risultati sperimentali ottenuti grazie al flusso di simulazione e benchmark standard sono stati utilizzati per validare le politiche presentate, validando gli incrementi di prestazioni ottenuti rispetto allo stato dell'arte.