동적 주파수 조절 기법을 활용한 3차원 구조 멀티코어 프로세서의 온도 변화 분석 연구

국문 초록 (Abstract)

집적회로 공정기술이 급속도로 발달하면서 멀티코어 프로세서를 설계하는데 있어서 내부 연결망은 성능 향상을 방해하는 주요 원인이 되고 있다. 멀티코어 프로세서의 내부 연결망에서 발생하는 병목 현상을 해결하기 위한 방안으로 최근에는 2차원 평면 구조에서 3차원 적층 구조로 설계 방식을 변경하는 기법이 주목을 받고 있다. 3차원 구조는 다른 층에 집적된 코어들을 TSV를 통해 연결함으로써 칩 내부의 와이어 길이를 크게 감소시켜 성능 향상과 전력 소모 감소의 큰 이점을 가져온다. 하지만, 활성화된 코어들이 적층됨으로써 단위 면적당 전력 소모가 급격히 증가하여 높은 온도를 발생시켜 칩의 신뢰성을 크게 저하시키는 문제를 발생시킨다. 따라서 효율적인 3차원 구조 멀티코어 프로세서를 설계하기 위해서는 내부의 온도 문제를 해결할 수 있는 설계 기법이 우선적으로 고려되어야 한다. 본 논문에서는 실험을 통해 다양한 측면에서 3차원 구조 멀티코어 프로세서 내부의 온도 분포를 분석하고자 3차원 구조 멀티코어 프로세서에서 수행되는 프로그램의 특성, 냉각 효과, 동적 주파수 조절 기법 적용에 따른 각 코어의 온도 분포를 측정한다. 분석 결과, 3차원 구조 멀티코어 프로세서의 온도를 효과적으로 관리하기 위해서는 더 높은 냉각 효과를 갖는 코어를 상대적으로 더 높은 동작 주파수로 작동 시켜야 하고 온도에 영향을 많이 주는 작업 또한 더 높은 냉각 효과를 갖는 코어에 할당해야 함을 알 수 있다. 본 논문에서는 상세하게 분석된 3차원 구조 멀티코어 프로세서의 온도 분포 정보를 기반으로 적응적 동적 주파수 조절 기법을 활용한 3차원 구조 멀티코어 프로세서의 온도 감소 기법을 제안하여 칩의 신뢰성을 향상시키고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the process technology scales down, an interconnection has became a major performance constraint for multi-core processors. Recently, in order to mitigate the performance bottleneck of the interconnection for multi-core processors, a 3D integration technique has drawn quite attention. The 3D integrated multi-core processor has advantage for reducing global wire length, resulting in a performance improvement. However, it causes serious thermal problems due to increased power density. For this reason, to design efficient 3D multi-core processors, thermal-aware design techniques should be considered. In this paper, the temperature on the 3D multi-core processors in function unit level through various experiments is analyzed. Also, I will present temperature characteristics by varying application features, cooling characteristics, and frequency levels on 3D multi-core processors. According to our experimental results, following two rules should be obeyed for thermal-aware 3D processor design. First, to optimize the thermal profile of cores, the core with higher cooling efficiency should be clocked at a higher frequency. Second, to lower the temperature of cores, a workload with higher thermal impact should be assigned to the core with higher cooling efficiency.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1) 연구 배경 1
• 2) 연구 목표 3
• 3) 논문 구성 3
• 2. 관련 연구 4
• 1) 3차원 멀티코어 프로세서 설계 기술 4
• 2) 기계적 온도 관리 기법 6
• 3) 동적 온도 관리 기법 9
• 3. 모의실험 환경 11
• 1) 실험 대상 3차원 멀티코어 프로세서 구조 11
• 2) 벤치마크 프로그램 13
• 3) 온도 모델링 14
• 4. 온도 분석 15
• 1) 2차원싱글코어 프로세서와 3차원 멀티코어 프로세서의 온도 분석 15
• 2) 동적 주파수 조절 기법 적용에 따른 3차원 멀티코어 프로세서의 온도 분석 17
• 3) 작업량에 따른 3차원 멀티코어 프로세서의 온도 효율성을 고려한 동적 주파수 조절 기법 20
• 5. 결론 24
• 참고문헌 25
• 영문초록 29