Gestion dynamique locale de la variabilité et de la consommation dans les architectures MPSoCs

par Lionel Vincent

Thèse de doctorat en Systèmes Automatiques et Microélectroniques

Sous la direction de Philippe Maurine.


  • Résumé

    Dans le contexte du développement de systèmes embarqués alliant hautes performances et basse consommation, la recherche de l'efficacité énergétique optimale des processeurs est devenue un défi majeur. Les solutions architecturales se sont positionnées durant les dernières décennies comme d'importantes contributrices à ce challenge. Ces solutions, permettant la gestion du compromis performance de calcul/consommation, se sont dans un premier temps développées pour les circuits mono-processeurs. Elles évoluent aujourd'hui pour s'adapter aux contraintes de circuits MPSoCs de plus en plus complexes et sensibles aux déviations des procédés de fabrication, aux variations de tension et de température. Cette variabilité limite aujourd'hui drastiquement l'efficacité énergétique de chacune des unités de calcul qui composent une architecture MPSoC, car des marges pessimistes de fonctionnement sont généralement prises en compte. De grandes améliorations peuvent être attendues de la diminution de ces marges de fonctionnement en surveillant dynamiquement et localement la variabilité de chaque unité de calcul afin de réajuster ses paramètres de fonctionnement tension/fréquence. Ce travail s'insère dans une solution architecturale bas-coût nommée AVFS, basée sur une optimisation des techniques de gestion locales DVFS, permettant de réduire les marges de conception afin d'améliorer l'efficacité énergétique des MPSoCs, tout en minimisant l'impact de la solution proposée sur la surface de silicium et l'énergie consommée. Le développement d'un système de surveillance des variations locales et dynamiques de la tension et de la température à partir d'un capteur bas coût a été proposé. Une première méthode permet d'estimer conjointement la tension et la température à l'aide de tests statistiques. Une seconde permet d'accélérer l'estimation de la tension. Enfin, une méthode de calibration associée aux deux méthodes précédentes a été développée. Ce système de surveillance a été validé sur une plateforme matérielle afin d'en démontrer le caractère opérationnel. En prenant en compte les estimées de tension et de température, des politiques visant à réajuster dynamiquement les consignes des actionneurs locaux de tension et de fréquence ont été proposées. Finalement, la consommation additionnelle due à l'intégration des éléments constitutifs de l'architecture AVFS a été évaluée et comparée aux réductions de consommation atteignables grâce aux réductions des marges de fonctionnement. Ces résultats ont montré que la solution AVFS permet de réaliser des gains en consommation substantiels par rapport à une solution DVFS classique.

  • Titre traduit

    Local dynamic management of variability and power consumption in MPSoCs architectures


  • Résumé

    Nowadays, embedded systems requiring high performance and low power, the search for the optimal efficiency of the processors has become a major challenge. Architectural solutions have positioned themselves in recent decades as one of the main contributors to this challenge. These solutions enable the management of the trade-off between performance / power consumption, initially developed for single -processor systems. Today, they evolve to be adapted to the constraints of circuits MPSoCs increasingly complex and sensitive to process, voltage and temperature variations. This PVT variability limits drastically the energy efficiency of each of the processing units of a MPSoC architecture, taking into account pessimistic operating margins. Significant improvements can be expected from the reduction of the operating margins by dynamically monitoring and local variability of each resource and by adjusting its voltage / frequency operating point. This work is part of a low-cost architectural solution called AVFS, based on local DVFS optimization technique, to reduce design margins and improve the energy efficiency of MPSoCs, while minimizing the silicon surface and the energy additional cost. The development of a monitoring system of local and dynamic voltage and temperature variations using a low-cost sensor has been proposed. A first method estimates jointly voltage and temperature using statistical tests. A second one speeds up estimation of the voltage. Finally, a calibration method associated with the two previous methods has been developed. This monitoring system has been validated on a hardware platform to demonstrate its operational nature. Taking into account the estimation of voltage and temperature values, policies to dynamically adjust the set point of the local voltage and frequency actuators have been proposed. Finally, the additional power consumption due to the integration of the components of the architecture AVFS was evaluated and compared with reductions achievable through reductions in operating margins consumption. These results showed that the AVFS solution can achieve substantial power savings compared to conventional DVFS solution.


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