本文選題：多核處理器 + 穩(wěn)態(tài)分析��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：目前,溫度及溫度約束條件下的性能分析已經(jīng)成為多核處理器設(shè)計自動化的重要組成部分。對于采用動態(tài)溫度管理技術(shù)的多核處理器,處理器溫度以及溫度約束條件下的處理器性能高度依賴于處理器運行電壓、頻率和活動核個數(shù)。為了優(yōu)化多核處理器的設(shè)計方案,需要分析處理器運行電壓、頻率、活動核個數(shù)與處理器溫度及性能的關(guān)系。當(dāng)處理器執(zhí)行不同應(yīng)用任務(wù)時,以及在執(zhí)行同一個應(yīng)用任務(wù)的不同階段,處理器的負(fù)載具有很大的差異性。但到目前為止,現(xiàn)有以優(yōu)化動態(tài)管理方案為目標(biāo)的穩(wěn)態(tài)分析方法都忽略了處理器負(fù)載的差異性。根據(jù)現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)模型,不能分析負(fù)載差異性對穩(wěn)態(tài)溫度及性能的影響,這必然會嚴(yán)重影響穩(wěn)態(tài)分析的準(zhǔn)確性。本文深入研究了多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度以及溫度約束條件下多核處理器性能的分析方法,用于分析處理器運行電壓、頻率、活動核個數(shù)與穩(wěn)態(tài)溫度及性能的關(guān)系。為了提高穩(wěn)態(tài)分析的準(zhǔn)確性、分析負(fù)載差異性對處理器溫度及性能的影響,在溫度及性能的分析模型中引入負(fù)載特征,來表示負(fù)載差異性。本文的主要研究內(nèi)容包括:(1)提出了一種考慮負(fù)載差異性的多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度模型為了提高多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度分析的準(zhǔn)確性,采用單周期各類型指令個數(shù)作為負(fù)載特征,來表示負(fù)載差異性,提出一種考慮負(fù)載差異性的多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度模型。首先,將處理器核的微結(jié)構(gòu)級動態(tài)功耗建模為單周期各類型指令個數(shù)、頻率和電壓平方的線性函數(shù),將處理器核的微結(jié)構(gòu)級靜態(tài)功耗近似為電壓與溫度的線性函數(shù)。然后,通過理論推導(dǎo),將處理器核的微結(jié)構(gòu)級穩(wěn)態(tài)溫度表示為單周期各類型指令個數(shù)、頻率、電壓和活動核個數(shù)的函數(shù)。最后,通過仿真實驗,驗證了穩(wěn)態(tài)溫度模型的有效性,詳細(xì)分析了頻率、活動核個數(shù)與穩(wěn)態(tài)溫度之間的關(guān)系以及調(diào)整頻率的核個數(shù)對穩(wěn)態(tài)溫度的影響。(2)提出了一種針對處理器熱點選擇的統(tǒng)計分析方法處理器最熱的功能單元為熱點。為了分析負(fù)載特征與處理器熱點選擇之間的關(guān)系,提出了一種針對處理器熱點選擇的統(tǒng)計分析方法。首先,基于考慮負(fù)載差異性的多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度模型,提出了一種針對處理器熱點選擇的統(tǒng)計分析模型。給定一個負(fù)載特征子空間,使用該模型可以計算出某個功能單元為熱點的概率。然后,基于提出的統(tǒng)計分析模型,給出了熱點選擇的統(tǒng)計分析算法,用于分析每個功能單元為熱點的概率以及不同類型指令對熱點選擇概率的影響。最后,通過仿真實驗,分析了處理器熱點選擇與負(fù)載特征之間的關(guān)系。(3)提出了一種性能約束多核處理器最小峰值溫度的分析方法為了減少多核處理器最小峰值溫度的分析時間,并且分析負(fù)載特征與處理器最小峰值溫度的關(guān)系,針對基于幀的實時任務(wù)模型,提出一種基于解析法的多核處理器最小峰值溫度分析方法。首先,將實時任務(wù)的單周期指令個數(shù)和各類型指令比例引入到多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度的分析模型中。然后,針對基于幀的實時任務(wù)模型,提出多核處理器的最小峰值溫度模型,將最小峰值溫度表示為處理器運行電壓、任務(wù)周期、任務(wù)指令個數(shù)、各類型指令比例和活動核個數(shù)的函數(shù)。最后,通過仿真實驗,驗證了所提分析方法的有效性,分析了負(fù)載特征、活動核個數(shù)與最小峰值溫度之間的關(guān)系。(4)提出了一種溫度約束多核處理器最大吞吐量的分析方法為了提高多核處理器性能分析的準(zhǔn)確性、分析負(fù)載差異性對多核處理器性能的影響,在溫度約束條件下,提出了一種考慮負(fù)載差異性的多核處理器最大吞吐量的分析方法。首先,通過理論推導(dǎo),將多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度表示為各類型指令比例、吞吐量、電壓和活動核個數(shù)的函數(shù)。然后,證明了多核處理器吞吐量達(dá)到最大值的必要條件,并建立了多核處理器最大吞吐量的分析模型。最后,通過仿真實驗,驗證了所提分析方法的有效性,分析了各類型指令比例、單周期指令個數(shù)、活動核個數(shù)與多核處理器最大吞吐量之間的關(guān)系。(5)提出了一種多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度及運行頻率的概率分析方法為了對處理器的溫度及運行頻率進(jìn)行概率分析,采用單周期指令個數(shù)作為負(fù)載特征,在單周期指令個數(shù)服從正態(tài)概率分布的條件下,提出一種多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度及運行頻率的概率分析方法。首先,在微結(jié)構(gòu)級,將處理器的動態(tài)功耗建模為單周期指令個數(shù)和運行頻率的線性函數(shù),將靜態(tài)功耗近似為溫度的線性函數(shù),將錯誤因子引入動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗的線性模型。然后,通過理論推導(dǎo),將活動核和休眠核的熱點溫度表示為所有活動核單周期指令個數(shù)的線性函數(shù)�；谒谢顒雍藛沃芷谥噶顐�數(shù)都服從相同正態(tài)概率分布的假設(shè),通過理論分析,證明活動核和休眠核的熱點溫度服從正態(tài)分布。針對零減速調(diào)度策略,通過理論分析,得出處理器運行頻率的概率分布。最后,通過仿真實驗,分析了多核處理器穩(wěn)態(tài)溫度及運行頻率的概率分布。
[Abstract]:At present, performance analysis under the constraints of temperature and temperature has become an important part of the design automation of multi-core processors. For multi-core processors with dynamic temperature management technology, processor performance is highly dependent on the operating voltage, frequency and number of active cores at the processor's temperature and temperature constraints. To optimize the design of multi core processors, it is necessary to analyze the relationship between the processor's operating voltage, frequency, the number of active cores and the temperature and performance of the processor. When the processor performs the different application tasks, and at different stages of the execution of the same application task, the processor's load is very different. The steady state analysis method of the dynamic management scheme ignores the difference of the processor load. According to the existing steady state model, it is impossible to analyze the influence of the load difference on the steady state temperature and performance. This will inevitably affect the accuracy of the steady state analysis. This paper has studied the steady-state temperature and temperature constraints of the multi core processor. The analysis method of multi-core processor performance is used to analyze the relationship between the operating voltage, frequency, the number of active cores and the steady state temperature and performance. In order to improve the accuracy of the steady state analysis, the influence of load difference on the temperature and performance of the processor is analyzed. The load characteristics are introduced in the analysis model of temperature and performance to represent the load difference. The main contents of this paper are as follows: (1) a steady-state temperature model of multi core processor, which considers load difference, is proposed to improve the accuracy of the steady-state temperature analysis of multi-core processors. The load difference is expressed by the number of single cycle types of instructions as the load characteristics, and a multi core processing considering the difference of load is proposed. First, the dynamic power consumption of the processor core is modeled as the linear function of the single cycle type instruction number, frequency and voltage square, and the micro structure level static power of the processor core is approximated to the linear function of the voltage and temperature. Then, the microstructural level steady temperature of the processor core is deduced by theory. The function of the number, frequency, voltage and number of active nuclei of each type of single cycle is expressed. Finally, the validity of the steady-state temperature model is verified by simulation experiments. The relationship between the frequency, the number of active nuclei and the steady temperature and the influence of the number of the adjusted frequencies on the steady temperature are analyzed in detail. (2) a kind of treatment is proposed. In order to analyze the relationship between the characteristics of the load and the hot spot selection of the processor, a statistical analysis method for the selection of the processor hot spots is proposed to analyze the relationship between the load characteristics and the hot spot selection of the processor. A statistical analysis model of the selection of the hot spot is given. Given a load feature subspace, the model can be used to calculate the probability of a functional unit as a hot spot. Then, based on the proposed statistical analysis model, a statistical analysis algorithm for hot spot selection is given, which is used to analyze the probability of each power unit as a hot spot and the different types of instructions. The influence on the probability of hot spot selection. Finally, through the simulation experiment, the relationship between the processor hot selection and the load characteristics is analyzed. (3) a performance constrained multi-core processor minimum peak temperature analysis method is proposed to reduce the minimum peak temperature analysis time of the multi-core processor, and analyze the load characteristics and the minimum processor. The relationship of peak temperature, a method of analyzing the minimum peak temperature of multi core processor based on analytic method is proposed for real-time task model based on frame. First, the number of single cycle instructions and the proportion of various types of instructions are introduced into the steady-state temperature analysis model of the multi core processor. Then, the real-time task based on frame is aimed at the frame based real-time task. The minimum peak temperature model of multi core processor is proposed, and the minimum peak temperature is expressed as the function of the processor operating voltage, task cycle, number of task instructions, the proportion of various types of instructions and the function of the number of active nuclei. Finally, the effectiveness of the proposed analytical method is verified by simulation experiments. The relationship between small peak temperature. (4) a temperature constrained multi-core processor maximum throughput analysis method is proposed to improve the accuracy of multi-core processor performance analysis and analyze the effect of load difference on the performance of multi core processors. Under the condition of temperature constraints, a multi core processor that considers load difference is proposed. First, through theoretical deduction, the steady-state temperature of the multi core processor is expressed as a function of the proportion of various types of instructions, throughput, voltage and the number of active nuclei. Then, the necessary conditions for the maximum throughput of the multi-core processor are proved, and the analysis model of the maximum throughput of the multi core processor is established. Finally, through the analysis of the maximum throughput of the multi core processor, the analysis model of the maximum throughput of the multi core processor is established. The simulation experiments verify the effectiveness of the proposed method, and analyze the relation between the proportion of instructions, the number of single cycle instructions, the number of active core and the maximum throughput of the multi core processor. (5) a probability analysis method for the steady-state temperature and running frequency of the multi-core processor is proposed in order to carry out the temperature and operation frequency of the processor. In probability analysis, a single period instruction number is used as a load feature. A probability analysis method for the steady-state temperature and operating frequency of a multi-core processor is proposed under the condition that the number of single periodic instructions obey normal probability distribution. First, the dynamic power consumption of the processor is modeled as a single period instruction number and running frequency at the micro structure level. The static power is approximated as the linear function of the temperature, and the error factor is introduced into the linear model of dynamic and static power consumption. Then, the hot temperature of the active and dormant nuclei is expressed as a linear function of the number of the single periodic instructions of the active kernel. The hypothesis of the same normal probability distribution, through theoretical analysis, proves that the hot temperature of the active core and the dormant kernel obeys the normal distribution. According to the zero deceleration scheduling strategy, the probability distribution of the operating frequency of the processor is obtained through theoretical analysis. Finally, the probability distribution of the steady-state temperature and operating frequency of the multi-core processor is analyzed by the simulation experiment.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP332

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本文編號：1878113