SCP多核处理器芯片功耗测试与DVFS算法实现

发布时间：2021-04-29 19:00

随着集成电路CMOS工艺的不断发展,多核处理器芯片上的集成晶体管数量呈现出急剧增长的态势,总数上已经普遍超过30亿。但这一工艺无法避免地同时导致其耗密度的大幅增加,不仅会严重阻碍处理器性能的可持续提升,还将对处理器的封装方式、散热构架等技术设计领域形成巨大挑战。因此,如何优化多核处理器的功耗,已经成为全球范围内处理器领域的科研人员无法回避的难题。从理论上分析,当处理器出现空闲或者处理器性能高于实际需要时,可以适当地对处理器进行降频、降压处理。这就是当前多核处理器功耗优化方案中最为普遍的DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)控制。本文对一款国产高能效多核SCP处理器进行功耗测试,并基于该SCP处理器设计适用的DVFS调度算法,完成的主要工作及创新点包括:1.设计出多核SCP处理器在UBOOT固件层、驱动层的低功耗管理代码,基于CPLD实现片外电压调节的控制逻辑。2.完成多核SCP处理器在多种应用场景和低功耗优化配置下的功耗测试。3.设计出双阈值功耗自适应DVFS的调节算法DTPA(double threshold power adaption)。该算法采用多级阈值控制并调节电压和频率,较之于目前普遍采用的单阈值调节算法,能够在保证性能所受更小影响的同时,节省更多功耗。在运行国产操作系统的SCP多核处理器实验平台上,采用DTPA算法的实验结果显示:在大部分测试程序中,功耗降低的百分比高于性能降低的百分比,并且大部分测试程序的性能都能维持在90%以上,能够实现的最高功耗优化比例为35%。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN407

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.1.1 处理器的发展与趋势

1.1.2 低功耗设计的意义

1.2 集成电路功耗的组成

1.2.1 动态功耗

1.2.2 静态功耗

1.3 多核处理器低功耗设计的层次

1.4 本文主要工作以及创新点

1.5 论文组织结构

第二章多核系统中的DVFS技术

2.1 DVFS中的硬件支持

2.1.1 电压调节器

2.1.2 频率调节器

2.1.3 处理器电压与频率的关系

2.2 DVFS中的软件调节技术

2.2.1 DVFS软件调节分类

2.2.2 DVFS软件技术分类

2.3 DVFS技术算法研究现状

2.3.1 满负载下的DVFS算法

2.3.2 非满负载下的DVFS算法

2.3.3 Linux系统自带的DVFS调节方式

2.4 本章小结

第三章 SCP多核处理器系统研究平台

3.1 SCP多核处理器支持的低功耗技术

3.2 SCP多核处理器时钟结构

3.3 SCP多核处理器实验环境

3.4 本章小结

第四章 SCP多核处理器低功耗技术测试

4.1 SCP多核处理器低功耗技术固件级测试

4.1.1 UBOOT代码优点

4.1.2 UBOOT代码结构

4.1.3 SCP多核处理器在UBOOT层低功耗测试流程

4.2 片外电压调节控制模块CPLD的实现

4.3 SCP多核处理器低功耗技术驱动层实现

4.4 本章小结

第五章 SCP多核处理器功耗评估与DVFS实现

5.1 SCP多核处理器功耗评估

5.1.1 实验中采用的测试程序

5.1.2 SCP多核处理器功耗评估测试

5.2 SCP多核处理器的DVFS设计

5.3 SCP多核处理器中DTPA算法结果分析

5.4 DTPA算法优势总结

5.5 本章小结

结束语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

【参考文献】