Система визуализации процессов потребления энергии и рассеивания тепла в процессоре для имитатора M-SIM

Авторы: Баранов А.Н.

Описание: Рассматривается проблема потребления энергии и рассеивания тепла в процессоре для имитатора M-SIM.

Источник: Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) http://www.ict.edu.ru/vconf/files/12120.pdf

Имитационное моделирование – это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, которая с достаточной точностью описывает реальную систему. С данной моделью проводятся эксперименты, имеющие целью получение информации о реальной системе. Все усилия по разработке новых процессоров и связанные с ними научные исследования всегда базируются на использовании точных имитационных моделей функций и временного поведения процессоров. Высокая сложность подобных проектов делает очень трудной задачу построения точных прогнозов производительности процессоров при использовании аналитических моделей, что делает имитационное моделирование единственной практической альтернативой. Применение имитационных моделей сокращает стоимость и время разработки новых аппаратных решений за счет их тестирования на данных моделях.

В настоящее время разработчикам процессоров приходится решать большое число проблем, связанных с энергопотреблением и рассеиванием тепла блоками процессоров. Увеличение тактовой частоты процессоров, переход к многоядерности, уменьшение минимального топологического размера при проектировании приводят к увеличению энергопотребления и выделения тепла. Это приводит к необходимости разработки новых технологических приемов отвода тепла, что в свою очередь ведет к необходимости разработки специального программного обеспечения, которое позволило бы наблюдать процессы энергопотребления и рассеивания тепла в динамике.

Многие имитаторы микропроцессоров используют моделирование с точностью на уровне одного цикла работы процессора. Это означает, что имитатор не прибегает к использованию прогнозирования производительности, а рассчитывает временные показатели, имитируя реальную работу процессора. Хотя имитаторы уровня процессорного цикла моделируют состояние всех подсистем процессора для одного цикла работы процессора, чаще всего эта информация используется лишь для сбора статистики. Множественные усреднения, которые неизбежно возникают во время сбора статистики, приводят к потере ценной для разработчиков информации и могут привести к ошибочным результатам при реализации новых аппаратных решений. Для предотвращения подобных проблем необходимо собирать и хранить информацию о каждом цикле моделирования.

Данным условиям удовлетворяет имитатор M-sim [1]. Имитатор M-sim является многопоточным микропроцессорным имитатором с высоким уровнем детализации для ключевых системных показателей. Имитатор M-sim базируется на известном в университетской исследовательской среде имитаторе SimpleScalar 3.0d [2] и, соответственно, на модели процессоров с архитектурой Alpha.

Особенности имитатора M-sim:

• Поддержка моделирования конкурентного исполнения нескольких потоков, соответственно SMT-модели.
• Наличие возможности расчета энергопотребления различными блоками процессора.
• Использование реалистичных моделей конвейера процессора, регистровых файлов и кэш-памяти.
• Широкие возможности настройки модели процессора.

Данный имитатор предоставляет пользователю усредненную статистику энергопотребления в текстовом виде. Для графического представления результатов работы имитатора создана система, которая будет:

• Собирать и хранить информацию о поцикловом энергопотреблении различными блоками процессора.
• Визуализировать данную информацию.

Поскольку в имитаторе не предусмотрена возможность подключения внешних программных модулей, то для сбора и хранения информации в имитатор встраивается модуль, который записывает эти данные в специальный файл трассы имитационного моделирования. Этот файл позволит использовать хранящуюся в нем информацию для дальнейшего применения в визуализаторе.

Для графического предоставления данной информации создана специальная программа-визуализатор PowerVisor. Так же в рамках проекта создана система для визуализации работы кэш-памяти – CacheVisor. Программа PowerVisor выводит:

• Информацию о поцикловом потреблении энергии различными устройствами процессора в виде графиков и трехмерных изображений с цветовой шкалой энергопотребления. Такое представление информации позволяет легко сравнивать данные об энергопотреблении.
• Информацию о поцикловом рассеивании тепла различными устройствами процессора в виде графиков и трехмерных изображений с цветовой шкалой рассеивания тепла. Эти данные позволяют спрогнозировать количество рассеиваемого тепла, что позволяет рассчитать необходимые характеристики системы охлаждения процессора, и, возможно, улучшить взаимное расположение блоков процессора с целью минимизации теплового влияния их друг на друга.
Данная система может быть применена:
• В процессе обучения для наглядной демонстрации процесса потребления энергии и рассеивания тепла различными устройствами процессора.
• В процессе проектирования процессоров для расчета взаимного расположения устройств процессора, потребления энергии, характеристик системы охлаждения процессора.

В настоящее время на рынке программных продуктов не представлена система, подобная этой разработке, что открывает широкие возможности для быстрого распространения данной системы.

Литература

1. Joseph J. Sharkey, Dmitry Ponomarev, Kanad Ghose M-SIM: A Flexible, Multithreaded Architectural Simulation Environment. State University of New York at Binghamton, 2005.
2. Austin, T., et al., “Simplescalar: An Infrastructure for Computer System Modeling”, IEEE Computer, February 2002