autoreferat.pdf

(370 KB) Pobierz

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI, INFORMATYKI I ELEKTRONIKI

K ATEDRA E LEKTRONIKI

AUTOREFERAT

ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

MGR INŻ. SŁAWOMIR MIKUŁA

ASYNCHRONICZNE STEROWANIE

AKTYWNOŚCIĄ BLOKÓW FUNKCJONALNYCH

SYSTEMÓW SCALONYCH

Promotor:

Prof. dr hab. inż. Andrzej Kos

Kraków, 2010

771645532.035.png

1 W STĘP

Rozprawa doktorska powstała w ramach prac doktoranta na wydziale Elektrotechniki,

Automatyki, Informatyki i Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Badania

zostały wykonane pod kierunkiem naukowym prof. Andrzeja Kosa w zespole Mikro i Nano-

Systemów a także podczas pobytu w ramach programu Socrates/Erasmus na Uniwersytecie w

Gandawie pod kierunkiem naukowym prof. Gilberta De Mey. Na podstawie aktualnej wiedzy

dotyczącej zagadnień termicznych w systemach wielordzeniowych autor wykazał słuszność

następującej tezy:

Istnieje możliwość sterowania asynchronicznego modułami funkcjonalnymi w

systemach wielordzeniowych prowadzącego do lepszego wykorzystania własności

termodynamicznych struktur półprzewodnikowych, w taki sposób aby zminimalizować

maksymalną temperaturę chwilową układu bez obniżania mocy obliczeniowej.

2 A SYNCHRONICZNE STEROWANIE BLOKAMI FUNKCJONALNYMI

Asynchroniczne przełączanie aktywności możemy zdefiniować jako zmianę stanu

danego rdzenia/modułu z aktywnej na pasywną asynchronicznie do głównego zegara układu

scalonego. Stan aktywny zdefiniowany jest jako praca rdzenia tj. realizacja zadań

obliczeniowych. W tym stanie następuje rozpraszanie mocy strat dynamicznych. Stan

pasywny oznacza brak aktywności obliczeniowej rdzenia. Wszystkie działania funkcjonalne

rdzenia zostają wstrzymane. Występuje tylko statyczny pobór mocy. Częstotliwość

przełączania rdzenia pomiędzy stanem aktywnym a pasywnym nie jest stała i zależy od

decyzji głównego algorytmu zarządzającego sterowaniem asynchronicznym. Należy

zaznaczyć, iż częstotliwość przełączania jest kilka rzędów mniejsza od częstotliwości

głównego zegara pracy układu scalonego. Dodatkowo podkreślenia wymaga fakt podjęcia

przez algorytm decyzji o zmianie stanu rdzenia z aktywnego na pasywny niezależnie od

głównego zegara. Zdarzenie to występuje asynchronicznie – stąd też nazwa tego mechanizmu.

Zaproponowana metoda polega na zmianie stanu aktywności danego rdzenia na podstawie

informacji termicznej dostępnej dla każdego rdzenia w całej architekturze systemu scalonego.

Zmiana stanu z aktywnego na pasywny następuje dla każdego rdzenia niezależnie od stanu

2

771645532.036.png

pozostałych rdzeni. Schematycznie zmianę temperatury układu scalonego podczas

sterowania aktywnością przedstawia rysunek 1.

Rys. 1: Schemat profilu termicznego dowolnego rdzenia w trakcie aktywności. Zaznaczono

przedziały w których następuje realizacja proponowanych metod algorytmu

Zostały na nim zaznaczone trzy przedziały zakresu temperatur:

T actsw – temperatura, powyżej której następuje realizacja mechanizmu

asynchronicznego przełączania aktywności danego rdzenia

T tasksw – temperatura, powyżej której algorytm podejmuje decyzję o przeniesieniu

wykonywania zadania do innego rdzenia.

T critical – temperatura powyżej której aktywność rdzenia jest wstrzymywana.

Mechanizm asynchronicznego przełączania aktywności dla przykładowych 3 rdzeni

(oznaczonych jako moduły: MOD1-3) oraz mechanizmu przeniesienia wykonywania zadania

do innego rdzenia schematycznie przedstawiono na rysunku 2 obrazującym asynchroniczne

Rys. 2: Mechanizm asynchronicznego przełączania aktywności oraz przenoszenia zadań

3

771645532.037.png

771645532.038.png

771645532.001.png

771645532.002.png

771645532.003.png

771645532.004.png

sterowanie oraz przenoszenie zadania pomiędzy rdzeniami na osi czasu.

Trzecim elementem na bazie którego powstaje proponowany przez autora algorytm

jest maksymalizacja liczby rdzeni, które uczestniczą w danej operacji.

2.1 O BLICZANIE TEMPERATURY ZA POMOCĄ FUNKCJI G REENA WRAZ

Z WERYFIKACJĄ ASYNCHRONICZNEGO PRZEŁĄCZANIA

Dla potrzeb pracy doktorskiej opracowano algorytm obliczeń temperatury w

dowolnym punkcie układu scalonego. Praca wykonana została w czasie pobytu autora na

Uniwersytecie Gent (Belgia) w ramach programu Socrates Erasmus przy współpracy

z prof. Gilbertem De Mey. Dla analizy czasowej dystrybucji ciepła w przestrzeni

wykorzystujemy funkcję Greena. Używając funkcji Greena, która określa temperaturę układu

dla pojedynczego punktu, można wyprowadzić równanie określające temperaturę w

dowolnym punkcie przestrzeni generowaną przez prostokątne źródło ciepła:

2

2

2

z

(x

x'

)

(y

y'

)

κ

κ

κ

t

4

(t

t'

)

x )

4

(t

t'

y )

4

(t

t'

(1)

2

2

2

c

P(t'

)dt'

c

c

c

T(x,

y,

z,

t)

=

v

e

v

e

v

dx'

e

v

dy'

3

8

πκ(t

t'

)

t

x

y

1

1

1

Gdzie:

x,y,z – położenie punktu badanego,

t – czas dla którego obliczamy temperaturę układu

P(t') – moc rozpraszana przez aktywny moduł

t 1 , t 2 – okres aktywności modułu

κ – przewodność cieplna

c v – pojemność cieplna przy stałej objętości

Przedstawiony aparat matematyczny został zaimplementowany z wykorzystaniem

biblioteki GNU Scientific Library (GSL). Za pomocą wypracowanego modelu

matematycznego poddano analizie termicznej układ scalony, w którym działanie

poszczególnych rdzeni było aktywowane naprzemiennie. Częstotliwość przełączania była

zmieniana w szerokim zakresie. Aby poprawnie wyliczyć wartość temperatury, której

źródłem był tylko i wyłącznie składnik aktywny rozpraszania mocy skorzystano z metody

rozdzielania mocy wydzielanej w układzie na składową stałą oraz zmienną. Dla składowej

zmiennej po ustaleniu się zmian temperatury dla określonej częstotliwości zmierzono

4

771645532.005.png

771645532.006.png

771645532.007.png

771645532.008.png

771645532.009.png

771645532.010.png

771645532.011.png

771645532.012.png

771645532.013.png

771645532.014.png

771645532.015.png

771645532.016.png

771645532.017.png

771645532.018.png

771645532.019.png

771645532.020.png

771645532.021.png

771645532.022.png

771645532.023.png

771645532.024.png

771645532.025.png

771645532.026.png

771645532.027.png

771645532.028.png

wartości temperatury między-szczytowo. Wartości te wykreślone względem pulsacji

przełączania zostały przedstawione na rysunku 3 (rysunek w skali podwójnie logarytmicznej).

Rys. 3: Zależność między-szczytowej wartości temperatury od pulsacji [ω] zmiany

aktywności modułów, gdzie f

=ω 2

π

Na wykresie umieszczono dla porównania linię pomocniczą o nachyleniu ½. Jak

widać zależność temperatury między-szczytowej od pulsacji częstotliwości przełączania

można wyrazić wzorem

T 1

(2)

ω

gdzie

jest pulsacją przełączania aktywności rdzeni. Temperatura chwilowa jest zależna od

częstotliwości przełączania aktywności układu scalonego. Ten wniosek jest kluczowym

elementem, na którym został zbudowany zaprezentowany mechanizm asynchronicznego

przełączania aktywności modułów funkcjonalnych układu scalonego. Wzór (2) potwierdza

użyteczność sterowania aktywnością rdzeni w sposób kontrolowany oraz ze zmiennym

(asynchronicznym) czasem aktywności. Zastosowany aparat matematyczny został

zweryfikowany w ośrodku krakowskim oraz ośrodku Gent za pomocą m.in. metod

termograficznych.

5

771645532.029.png

771645532.030.png

771645532.031.png

771645532.032.png

771645532.033.png

771645532.034.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

ASTER.pdf (4618 KB)
autoreferat.pdf (370 KB)
full10269.pdf (3127 KB)
ilona_sciaga.pdf (487 KB)
systemycyfroweVLSI.pdf (5271 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin