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高性能微处理器RTL级和体系结构级低功耗设计关键技术研究

作　者: 郭维
导　师: 张民选
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 高性能 低功耗 微处理器 时钟门控 温度感知 Cache 漏电流
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着高性能微处理器体系结构和集成电路工艺的快速发展,微处理器芯片的集成度和工作频率不断提高,功耗问题以及与其息息相关的热效应给处理器的稳定性和可靠性带来了严峻的挑战,日益成为高性能微处理器持续发展的瓶颈。同时,在处理器的功耗组成中,漏流功耗占据越来越大的比例,如果不能有效控制,将严重阻碍微处理器性能的进一步提升,微处理器甚至无法正常工作。基于现有的低功耗研究现状,本论文重点研究了RTL级和体系结构级的关键低功耗设计技术。论文中的实验基于OpenSPARC T2开源RTL代码,根据SpyGlass功耗分析工具和软件模拟器得到实验结果。本文首先通过分析时钟门控设计不充分的微处理器初期设计代码(Open- SPARC T2),通过基本时钟门控、向前追溯优化、信号合并向前追溯优化和向后追溯优化等多种时钟门控设计优化策略,扩大原处理器设计中的时钟门控范围,关闭更多的空闲功能部件的时钟,最大限度降低处理器动态功耗。实验表明,相同负载条件下,单个OpenSPARC T2内核在优化后比优化前整体功耗降低了约35%。本文针对多线程处理器中应用执行的特点,提出了一种细粒度温度感知的多线程取指队列控制技术,以功能单元为基本感知单元对指令队列进行控制,从而降低处理器内部出现局部温度急剧升高的可能性,同时避免处理器整体性能的降低。根据实验表明,相同负载条件下,单个OpenSPARC T2内核采用最佳阈值设置方式下可以使功耗和温度峰值出现频率减少30%,而平均性能下降不到10%。最后,利用多路组相联Cache中替换算法给出的辅助信息,预测每组中即将被替换的Cache块使用可能性较低,提出通过记录Cache访问状态,采用加速动态LRU机制,尽早地关闭Cache块电源的Cache低功耗设计技术,实现了降低Cache漏电流功耗的目的,而未对性能造成较大影响。经过模拟实验表明,采用该优化机制可以降低Cache漏电流功耗69.2%,而处理器整体性能损失平均不到2%。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 研究目的及意义  10-11
  1.2 论文的工作  11-16
    1.2.1 研究内容  11-13
    1.2.2 实验与设计验证平台  13-16
  1.3 论文的组织结构  16-18
第二章 微处理器设计中的低功耗技术  18-32
  2.1 微处理器功耗组成  18-19
  2.2 低功耗微处理器设计技术  19-30
    2.2.1 工艺级低功耗技术  19-21
    2.2.2 版图级低功耗技术  21
    2.2.3 电路级低功耗技术  21-24
    2.2.4 RTL 级低功耗技术  24-26
    2.2.5 体系结构级低功耗技术  26-28
    2.2.6 系统级低功耗技术  28-30
  2.3 本章小结  30-32
第三章 微处理器门控时钟分布与优化  32-43
  3.1 基本时钟门控低功耗设计策略  32-34
  3.2 时钟门控逻辑的优化  34-37
    3.2.1 向前追溯优化  34-35
    3.2.2 信号合并向前追溯优化  35-36
    3.2.3 向后追溯优化  36-37
  3.3 效果评估与分析  37-40
    3.3.1 功耗优化评价方法  37-38
    3.3.2 结果与分析  38-40
  3.4 本章小结  40-43
第四章 细粒度温度感知多线程取指队列控制技术  43-56
  4.1 温度感知和热量管理技术  43-46
    4.1.1 温度感知技术  43-45
    4.1.2 热量管理技术  45-46
  4.2 细粒度温度感知多线程取指队列控制策略  46-49
    4.2.1 传统温度感知取指控制策略的限制  46-47
    4.2.2 细粒度温度感知多线程取指队列控制技术  47-49
  4.3 效果评估与分析  49-55
    4.3.1 温度控制效果评价方法  50
    4.3.2 性能影响评价方法  50-51
    4.3.3 温度控制效果与性能损失综合评价方法  51-52
    4.3.4 结果与分析  52-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章 Cache 漏电流功耗控制  56-67
  5.1 Cache 功耗分析与Cache 低功耗技术  56-59
    5.1.1 Cache 及其功耗  56-57
    5.1.2 体系结构级的Cache 低功耗技术  57-59
  5.2 基于历史信息的动态Cache 低功耗技术  59-62
  5.3 效果评估与分析  62-66
    5.3.1 Cache 漏电流功耗优化评价方法  62-63
    5.3.2 Cache 漏电流功耗优化与性能损失综合评价方法  63-64
    5.3.3 结果与分析  64-66
  5.4 本章小结  66-67
第六章 结论  67-69
  6.1 总结  67
  6.2 展望  67-69
致谢  69-71
参考文献  71-77
作者在学期间取得的学术成果和参加科研项目  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 运算器和控制器（CPU）
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