深亚微米工艺下微处理器体系结构级功耗模型相关技术研究

论文摘要

半导体工艺的持续发展和芯片集成度的显著提高,导致芯片发热量的增大与可靠性的下降,限制了性能的进一步提升,功耗已经成为微处理器设计领域的一个关键问题。在微处理器设计的早期阶段,对设计方案进行功耗模拟,及时发现设计中存在的问题和限制,可以有效地辅助设计方案的筛选和改进。目前,已经有许多较为成熟的功耗模型和模拟工具。例如,EDA工具SpyGlasses、动态功耗模拟器Wattch、漏流功耗模拟器HotLeakage和存储结构的模拟工具CACTI,都可以进行功耗评估。然而,一般的底层模拟工具模拟开销很高,不适用于体系结构研究。经典的体系结构级模拟工具通常不能反映微处理器最新的结构和工艺变化,无法估算采用深亚微米制造工艺的微处理器在不同应用场景下的实际功耗。本文提出了新的微处理器功耗模型,包括动态功耗估算模型SMPD和漏流功耗估算模型SMPL。SMPD是深亚微米工艺下微处理器的动态功耗模型,可用于静态地估算不同配置下微处理器组件的动态功耗。类似的,SMPL是深亚微米工艺下微处理器的漏流功耗模型,可用于漏流功耗的静态估算。SMPD和SMPL模型都是基于最新的微体系结构和工艺进行建模的,对于现代微处理器的功耗估计具有较高的准确性。此外,本文还提出了一种方法,以提升SMPL模型的计算速度。在上述两个模型的基础上,本文进一步建立了微处理器的功耗模拟模型SMP。SMP是整个微处理器的功耗模型,可以集成不同的体系结构模拟器,评估具有不同体系结构的微处理器的动态功耗和漏流功耗。与SMPD和SMPL模型不同的是,SMP模型能够运行实际的应用,其模拟结果不仅仅能反映出微处理器的结构和工艺特征,还能反映出应用场景的特征。最后,本文利用SMP模型进行了设计空间探索。本文的研究工作为深亚微米工艺下微处理器的体系结构级功耗评估奠定了基础,其中一些设计思想和关键技术,对低功耗设计和功耗优化技术的研究同样具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 计算机设计面临的挑战
• 1.2 功耗问题
• 1.3 模拟验证技术
• 1.4 微处理器体系结构的发展与功耗问题
• 1.4.1 CISC 和RISC
• 1.4.2 存储器
• 1.4.3 多核与多线程
• 1.5 深亚微米工艺的特点及影响
• 1.6 本文的主要工作与成果
• 1.7 论文结构
• 第二章 相关研究工作
• 2.1 微处理器的功耗问题研究
• 2.1.1 CPU 功耗问题概述
• 2.1.2 功耗的计算
• 2.1.3 功耗研究的主要内容
• 2.1.4 功耗研究的新进展
• 2.2 模拟验证技术
• 2.2.1 模拟验证技术概述
• 2.2.2 体系结构模拟
• 2.3 功耗模拟器
• 2.4 本章小结
• 第三章 动态功耗估算模型SMPD
• 3.1 体系结构级功耗模型概述
• 3.1.1 功耗估算模型
• 3.1.2 功耗模拟模型
• 3.1.3 其他功耗模型
• 3.2 动态功耗模型SMPD 的设计
• 3.2.1 设计目标
• 3.2.2 模型定义
• 3.3 动态功耗模型SMPD
• 3.3.1 简单阵列
• 3.3.2 cache
• 3.3.3 CAM
• 3.3.4 组合逻辑、连线和时钟
• 3.4 本章小结
• 第四章 漏流功耗估算模型SMPL
• 4.1 漏流功耗概述
• 4.2 漏流功耗模型
• 4.2.1 基本模型
• 4.2.2 Butts-Sohi 模型
• 4.2.3 HotLeakage 模型
• 4.3 漏流功耗模拟器
• 4.4 漏流功耗模型SMPL 的设计
• 4.4.1 设计目标
• 4.4.2 模型定义
• 4.5 漏流功耗模型SMPL
• 4.6 本章小结
• 第五章 微处理器功耗模拟模型SMP 及模拟验证
• 5.1 SMPD 与SMPL 模型的验证
• 5.1.1 模拟环境
• 5.1.2 动态功耗模型SMPD 的验证
• 5.1.3 漏流功耗模型SMPL 的验证
• 5.2 微处理器的功耗模拟模型SMP
• 5.2.1 模拟环境
• 5.2.2 设计空间探索
• 5.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果