/Computer_Architecture_Labs3

Computer Architecture Lab 3

Ομάδα 11

Καλαντζής Γεώργιος 8818 gkalantz@ece.auth.gr

Κοσέογλου Σωκράτης 8837 sokrkose@ece.auth.gr

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η εξοικείωση με το McPAT framework, το οποίο μας δίνει την δυνατότητα να μοντελοποιούμε στις αρχιτεκτονικές μας ενεργειακές μετρικές, όπως energy-delay-area product (EDAP) και να μελετάμε διάφορα trade-offs στις σχεδιαστικές μας αποφάσεις.

Ερώτημα 1

A.

Στο συγκεκριμένο ερώτημα ζητείται να ανατρέξουμε στην βιβλιογραφία αναφορικά με τις απώλειες ισχύος σε ένα CMOS, έτσι ώστε να κατονοήσουμε καλύτερα τα αποτελέσματα του McPAT Simulator και πιο συγκεκριμένα, το Dynamic Power καθώς και το Leakage τα οποία δίνονται ως αποτελέσματα με το πέρας της κάθε προσομοίωσης. Αρχικά, οι συνολικές απώλειες ισχύος σε ένα CMOS είναι το άθροισμα της δυναμικής κατανάλωσης και της στατικής κατανάλωσης, δηλαδή, P_total = P_dynamic + P_static. Η δυναμική κατανάλωση με την σειρά της αποτελείτε από το άθροισμα των διακοπτικών απωλειών και το ρεύμα βραχυκυκλώματος, P_dynamic = P_switcing + P_shortcircuit. Ενώ οι στατικές απώλειες είναι αποτέλεσμα του ρεύματος διαρροής υποκατωφίου καθώς και του ρεύματος διαρροής της πύλης, δηλαδή δίνεται από τον τύπο P_static = (I_sub + I_gate)*Vdd . Ας πάμε λοιπόν να αναλύσουμε πιο συγκεκριμένα όλες τις παραπάνω απώλειες ισχύος.

  • Dynamic Power Dissipation

    • Switching: Ονομάζεται και ισχύς μεταγωγής και oρίζεται ως η απώλεια ισχύος που οφείλεται στην στις απώλειες που δημιουργούνται κατά την έναυση και σβέση ενός MOSFET. Πιο συγκεκριμένα, δεδομένου ότι και η τάση και το ρεύμα δεν μεταβάλονται ακαριαία, δηλαδή υπάρχει μια μικρή καθυστέρηση λόγω της χωρητικής φύσης του MOSFET, κατά την διάρκεια της ένασυσης και της σβέσης ενός MOSFET δημιουργούνται κάποιες απώλειες ισχύος πάνω στο MOSFET και δίνονται από το γινόμενο V*I. Η ισχύς μεταγωγής εξάρταται από την συχνότητα ρολογιού, την χωρητικότητα του CMOS σε συνδυασμό με την χωρητικότητα εξόδου, το τετράγωνο της τάσης τροφοδοσίας καθώς έναν παράγοντα δραστηριότητας (activity factor a). Δηλαδή, δίνεται από τον τύπο P_switching = a*C*V^2*f

    • Short Circuit: Οι απώλειες βραχυκυκλώματος οφείλονται στο γεγονός ότι όταν σε ένα CMOS μεταβάλεται η κατάσταση του, στιγμιαία άγουν ταυτόχρονα και το pull-up pMOS FET αλλά και το pull-down nMOS FET. Κατα συνέπεια δημιουργείται στιγμιαία βραχυκύκλωμα μεταξύ γείωσης και τροφοδοσίας. Οι απώλειες αυτές είναι συνήθως περίπου το 10-20% της συνολικής δυναμικής κατανάλωσης σύμφωνα με την βιβλιογραφία.

  • Static Power Dissipation

    • Subthreshold Leakage Current: Οφείλεται στο ρεύμα που διαρρέεται κατα την διάρκεια της περιοχής αποκοπής του τρανζίστορ. Πιο συγκεκριμένα, κατα την διάρκεια αποκοποής του transistor υπάρχει ένα μικρό leakage current που ρέει από το Drain στο Source ενός MOSFET.

    • Gate Leakage Current: Οφείλεται στο ρεύμα που διαρρέται από την πύλη οξειδίου. Είναι επίσης σηματικό να αναφερθεί ότι το Gate Leakage είναι αρκετά μικρό και σχεδόν αμελητέο για τεχνολογίες άνω των 65nm, αλλά για μεγέθη λιθογραφίας μικρότερα των 65nm το Gate Leakage γίνεται αισθητό και μάλιστα συγκρίσιμο με το Subthreshol Leakage.

Αρχικά, όπως είπαμε και προηγουμένως, οι απώλειες δυναμικής ισχύος είναι ανάλογες του συνολικού φορτίου χωρητικότητας, της τάσης τροφοδοσίας, της αλλαγής τάσης κατά την μεταγωγή, της συχνότητας του ρολογιού και ενός παράγοντα δραστηριότητας (activity factor) όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Ο παράγοντας αυτός οφείλεται στα στατιστικά των προσβάσεων τα οποία μας παρέχονται από την προσομοίωση της αρχιτεκτονικής.

Η διαρροή στατικής ισχύος εξαρτάται από το μέγεθος των τρανζίστορ και την τοπική κατάσταση των συσκεύων.

Άρα άμα εκτελέσω διαφορετικά προγράμματα πάνω στον ίδιο επεξεργαστή αυτό που θα επηρεαστεί θα είναι και οι απώλειες δυναμικής ισχύος, αφού είναι ανάλογες του ativity factor οποίος μεταβάλεται ανάλογα με το πρόγραμμα το οποίο τρέχει ο επεξεργαστής, δηλαδή είναι για παράδειγμα ανάλογες των προσβάσεων (accesses) στις caches και σε άλλα στοιχεία της αρχιτεκτονικής. Ταυτόχρονα, όταν τρέχουμε διαφορετικά προγράμματα επηρεάζονται και οι απώλειες στατική ισχύς αφού ανάλογα με το πρόγραμμα το οποίο τρέχει ο επεξεργαστής αλλάζει το activity factor και συνεπώς αλλάζει συνεχώς ο αριθμός των transistor που βρίσκονται σε αποκοπή.

Τέλος, η χρονική διάρκεια εκτέλεσης ενός προγράμματος δεν έχει άμεσα σημασία στις ισχύς που δίνει το McPAT καθώς ο χρόνος εκτέλεσης ενός προγράμματος επηρεάζει την συνολική ενέργεια που εκλύεται σε θερμότητα, δηλαδή επηρεάζει την χρονική μεταβολή της ισχύος και όχι την στιγμιαία ισχύ που μας δίνει το McPAT.

B.

Αρχικά, δίνεται ότι η στιγμιαία ισχύς που καταναλώνει ο επεξεργαστής Α είναι 4W, ενω η στιγμιαία ισχύς του επεξεργαστή Β είναι 40W, δηλαδή 10 φορές μεγαλύτερη, συνεπώς δεδομένου ότι οι δύο επεξεργαστές τρέχουν το ίδιο πρόγραμμα και με την ίδια ταχύτητα (δηλαδή έχουν ίδια χρονική διάρκεια, memory accesses, committed instructions κλπ), τότε είναι φανερό ότι ο επεξεργαστής Β θα καταναλώνει 10 φορές περισσότερη ενέργεια από μια μπαταρία σε σχέση με τον επεξεργαστή Α. Στην περίπτωση όμως όπου ο επεξεργαστής Β ναι μεν τρέχει το ίδιο πρόγραμμα με τον Α αλλά είναι αρκετά γρηγορότερος (και συγκεκριμένα 10 φορές γρηγορότερος), δηλαδή τρέχει το ίδιο πρόγραμμα σε μικρότερη χρονική διάρκεια, και πιο συγκεκριμένα εαν τρέχει σε 10 φορές μικρότερο χρόνο απ' ότι τρέχει το ίδιο πρόγραμμα ο επεξεργαστής Α, τότε η κατανάλωση ενέργειας από μια μπαταρία θα είναι μικρότερη για τον επεξεργαστή Β, καθώς η συνολική ενέργεια μιας μπαταρίας δίνεται από τις συνολικές Whs (Watt-hours) που μπορεί να τροφοδοτεί ένα σύστημα, δηλαδή είναι το γινόμενο Watt*Time. Τέλος, εαν τα προγράμματα τα οποία τρέχουν οι δυο επεξεργαστές είναι διαφορετικά δεν μπορούμε να βγάλουμε κάποιο συμπέρασμα για την κατανάλωση ενέργειας από μια μπαταρία δεδομένου ότι λείπουν αρκετά δεδομένα τα οποία χρειαζόμαστε.

To McPAT δίνει ως αποτελέσματα κάποια ενεργειακά δεδομένα του εκάστοτε επεξεργαστή, συνεπώς όπως είπαμε και προηγουμένως, δεν μπορούμε να βγάλουμε κάποιο σίγουρο συμπέρασμα σχετικά με την διάρκεια της μπαταρίας του κάθε επεξεργαστικού συστήματος. Για να μπορέσουμε να βγάλουμε συμεράσματα όσον αφορά την διάρκεια της μπαταρίας, θα πρέπει να γνωρίζουμε περισσότερα πράγματα για το πρόγραμμα το οποίο τρέχει ο κάθε επεξεργαστής, με κυριότερη μεταβλητή τον χρόνο εκτέλεσης του κάθε προγράμματος.

Γ.

Αρχικά, στον παρακάτω πίνακα φαίνονται τα συνοπτικά αποτελέσματα των δυο προσομοιώσεων.

Area Peak Power Total Leakage Peak Dynamic Subthreshold Leakage Subthreshold Leakage with Power Gating Gate Leakage Runtime Dynamic
Xeon 410.507mm^2 134.938 W 36.8319 W 98.1063 W 35.1632 W 16.3977 W 1.66871 W 72.9199 W
ARM A9 2GHz 5.39698 mm^2 1.74189 W 0.108687 W 1.6332 W 0.0523094 W 0.0563774 W 2.96053 W

Είναι εμφανές ότι ο επεξεργαστής Xeon έχει πολύ μεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις σε σχέση με τον ARM A9 , ένας από τους λόγους είναι και ότι ο Xeon έχει μεγαλύτερη συχνότητα ρολογιού , σύμφωνα με την προσομοίωση του McPAT στα 3.4 GHz ενώ ο ARM A9 στα 2GHz και όπως αναφέρθηκε παραπάνω η δυναμική κατανάλωση ισχύος είναι ανάλογη της συχνότητας του ρολογιού. Φυσικά υπάρχουν και άλλοι λόγοι γι αυτό (πχ μέγεθος επεξεργαστή και επιμέρους στοιχείων της αρχιτεκτονικής). Στο ερώτημα που τέθηκε να απαντήσουμε, υποθέσαμε ότι ο Xeon έχει την δυνατότητα να τρέξει την ίδια εφαρμογή 40 φορές πιο γρήγορα από ότι ο ARM A9 και να δικαιολογήσουμε ότι παρόλα αυτά ο Xeon δεν μπορεί να είναι πιο energy efficient συγκριτικά με τον ARM A9. Ο απλούστατος λόγος για το οποίο ισχύει αυτό είναι ο Xeon έχει ενεργειακές απαίτησεις της τάξης του 40 και παραπάνω φόρες μεγαλύτερες σε σχέση με τον ARM A9, όποτε ακομή και που ο ARM A9 θα εκτέλεσει το πρόγραμμα σε χρόνο 40 φορές μικρότερο, στο σύνολο θα καταναλώσει λιγότερη ενέργεια. Επίσης στο ερώτημα που μας τέθηκε ορίστηκε ότι και μετά την λήξη της εκτέλεσης της εφαρμογής οι επεξεργάστες δεν θα σταμάτησουν την λειτουργία τους, αλλα υποθετικά θα βρίσκονται σε κάποιο idle mode περιμένοντας εντολή για εκτέλεση της επομένης εφαρμογής. Βέβαια οι επεξεργαστές και σε idle mode θα καταναλώνουν ενέργεια, οπότε ο Xeon θα συνέχισει να έχει τις υψηλές ενεργειακές του απαιτήσεις και μετά την λήξη της λειτουγίας της εφαρμογής.

Ερώτημα 2

A.

Παρακάτω φαίνονται μερικά από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που έγιναν στο GEM5 κατα την διάρκεια του προηγούμενου εργαστηρίου, τα οποία τώρα τα βάμαμε στο McPAT και βγάλαμε και μερικά συμπεράσματα όσον αφορά τις ενεργειακές επιπτώσεις που έχει η κάθε σχεδιαστική αλλαγή. Πιο συγκεκριμένα, στους συγκεκριμένους πίνακες φαίνονται τα χαρακτηριστικά της κάθε προσομοίωσης καθώς και τα απετελέσματα (CPI, Area, Power) του εκάστοτε benchmark.

SPECSJENG

l1d_size l1i_size l2_size l1i_assoc l1d_assoc l2_assoc cacheline_size cpi Area Power EDP
specsjeng_0 32kB 64kB 512kB 1 1 2 64 7.056530 9.00175 mm^2 1.190915684 W 0.59301188745
specsjeng_1 64kB 64kB 512kB 1 1 2 64 7.056086 11.62949 mm^2 1.690745484 W 0.841795227
specsjeng_2 128kB 64kB 512kB 1 1 2 64 7.056053 13.9581 mm^2 1.985367284 W 0.9884715185
specsjeng_3 128kB 128kB 512kB 1 1 2 64 7.055731 16.5196 mm^2 2.311548084 W 1.1507655144
specsjeng_4 128kB 128kB 1024kB 1 1 2 64 7.055338 18.60199 mm^2 2.315816895 W 1.1527632237
specsjeng_5 128kB 128kB 2048kB 1 1 2 64 7.054478 22.12171 mm^2 2.322194253 W 1.15565594833
specsjeng_6 128kB 128kB 2048kB 2 2 2 64 7.054221 22.37601 mm^2 2.335654453 W 1.16226883155
specsjeng_7 128kB 128kB 512kB 4 4 4 64 7.054338 24.50681 mm^2 1.832392658 W 0.911866620347
specsjeng_8 128kB 128kB 512kB 8 8 8 64 7.054502 17.4118 mm^2 1.499305744 W 0.7461440505
specsjeng_9 128kB 128kB 512kB 8 8 8 64 4.985786 55.9284 mm^2 2.51241954 W 0.62453981001
specsjeng_10 128kB 128kB 512kB 4 4 4 128 3.715485 14.66317 mm^2 1.206896342 W 0.166609525208
specsjeng_11 128kB 128kB 512kB 4 4 4 256 3.715483 20.13885 mm^2 1.21669181 W 0.1679617691546
specsjeng_20 32kB 64kB 512kB 1 1 2 512 3.236172 109.6617 mm^2 7.40054806 W 0.775044321
specsjeng_21 32kB 64kB 512kB 1 1 2 1024 3.002167 387.69 mm^2 29.70117902 W 2.6769746039

SPECHMMER

l1d_size l1i_size l2_size l1i_assoc l1d_assoc l2_assoc cacheline_size cpi Area Power EDP
spechmmer_0 32kB 64kB 2048kB 1 1 2 64 5.618177 14.60386 mm^2 1.197422913 W 0.000000009063
spechmmer_1 64kB 64kB 2048kB 1 1 2 64 5.605637 17.2316 mm^2 1.643551333 W 0.000000012
spechmmer_2 128kB 64kB 2048kB 1 1 2 64 5.589006 19.79311 mm^2 1.944117443 W 0.0000000143
spechmmer_3 128kB 128kB 2048kB 1 1 2 64 5.589006 22.12171 mm^2 2.247124443 W 0.0000000166
spechmmer_4 128kB 128kB 1024kB 1 1 2 64 5.589006 18.60199 mm^2 2.244545861 W 0.000000016
spechmmer_5 128kB 128kB 512kB 1 1 2 64 5.589006 16.5196 mm^2 2.242726471 W 0.0000000165
spechmmer_6 128kB 128kB 512kB 2 2 2 64 5.505899 16.7739 mm^2 2.257330684 W 0.0000000163
spechmmer_7 128kB 128kB 512kB 4 4 4 64 5.505899 18.90841 mm^2 1.752418108 W 0.00000001266
spechmmer_8 128kB 128kB 512kB 8 8 8 64 5.505899 12.53355 mm^2 1.399647335 W 0.000000010112
spechmmer_30 64kΒ 64kB 512kB 4 4 4 512 3.703423 190.7295 9.64068085 W 0.000000035872973
spechmmer_31 32kΒ 64kB 512kB 1 1 2 1024 4.852867 231.5015 12.70133755 W 0.00000004726167

SPECLIBM.

l1d_size l1i_size l2_size l1i_assoc l1d_assoc l2_assoc cacheline_size cpi Area Power EDP
speclibm_0 16kB 16kB 512kB 1 1 2 64 2.678020 6.5129 mm^2 0.758773514 W 0.054417651500
speclibm_1 16kB 64kB 512kB 1 1 2 64 2.678059 8.94937 mm^2 1.184999164 W 0.0849882036
speclibm_2 64kB 64kB 512kB 1 1 2 64 2.643485 11.62949 mm^2 1.734272284 W 0.12119071325
speclibm_3 64kB 128kB 512kB 1 1 2 64 2.643485 13.9581 mm^2 2.022570884 W 0.1413369805
speclibm_4 128kB 128kB 512kB 1 1 2 64 2.638252 14.798063 mm^2 2.362217084 W 0.1644188853
speclibm_5 128kB 128kB 1024kB 1 1 2 64 2.637369 18.60199 mm^2 2.365933995 W 0.16456775630
speclibm_6 128kB 128kB 2048kB 1 1 2 64 2.633691 22.12171 mm^2 2.371699153 W 0.1645087142
speclibm_7 128kB 128kB 2048kB 2 2 4 64 2.622492 22.37101 mm^2 2.386335758 W 0.1641191392
speclibm_8 128kB 128kB 2048kB 4 4 4 64 2.622492 24.50681 mm^2 1.885284158 W 0.1296595469
speclibm_9 128kB 128kB 2048kB 8 4 8 64 2.622492 17.4118 mm^2 1.554788844 W 0.10692988443
speclibm_10 128kB 128kB 2048kB 8 8 8 128 1.989960 55.9284 mm^2 2.50694184 W 0.0992734127
speclibm_11 128kB 128kB 2048kB 8 8 8 256 1.654384 120.8017 mm^2 7.3253799 W 0.20049368351
speclibm_12 64kΒ 64kB 1024kB 8 8 8 256 1.654755 97.5003 mm^2 7.17767725 W 0.1965413589
speclibm_57 128kB 128kB 4ΜΒ 4 4 4 2048 1.375911 2555.06 mm^2 1643.2 W 31.1078846

SPECBZIP.

l1d_size l1i_size l2_size l1i_assoc l1d_assoc l2_assoc cacheline_size cpi Area Power EDP
specbzip_0 32kB 32kB 512kB 1 1 2 64 1.712606 6.61289 mm^2 0.803430174 W 0.023564872
specbzip_1 64kB 32kB 512kB 1 1 2 64 1.673547 9.24063 mm^2 1.423297534 W 0.039863284
specbzip_2 64kB 64kB 512kB 1 1 2 64 1.673150 11.62949 mm^2 1.868570974 W 0.0523093536
specbzip_3 64kB 128kB 512kB 1 1 2 64 1.673150 13.9581 mm^2 2.167554634 W 0.0606791946
specbzip_4 128kB 128kB 512kB 1 1 2 64 1.637846 16.5196 mm^2 2.546893674 W 0.068321763
specbzip_5 128kB 128kB 1024kB 1 1 2 64 1.614752 18.60199 mm^2 2.557277755 W 0.066678909
specbzip_6 128kB 128kB 2048kB 1 2 2 64 1.594147 22.12171 mm^2 2.568986353 W 0.0652860155
specbzip_7 32kB 32kB 512kB 2 2 2 64 1.689497 6.68264 mm^2 0.814825084 W 0.02325845
specbzip_8 32kB 32kB 512kB 4 4 2 64 1.675726 8.28569 mm^2 1.131230824 W 0.031765765
specbzip_9 128kB 128kB 512kB 4 4 2 64 1.620835 18.9097 mm^2 2.072507944 W 0.0544473184
specbzip_10 128kB 128kB 512kB 4 4 4 64 1.620440 18.90841 mm^2 2.072644317 W 0.054424029
specbzip_11 128kB 128kB 512kB 4 4 8 64 1.619719 18.94645 mm^2 2.073019705 W 0.054385524
specbzip_12 128kB 128kB 512kB 1 1 1 64 1.648521 16.52052 mm^2 2.543732622 W 0.06912894
specbzip_13 128kB 128kB 512kB 1 1 1 128 1.643754 33.9632 mm^2 2.60976901 W 0.070513715
specbzip_14 128kB 128kB 512kB 4 4 4 128 1.608345 33.0362 mm^2 2.61956775 W 0.0677627
specbzip_15 128kB 128kB 512kB 4 4 4 256 1.613029 62.5001 mm^2 5.16013488 W 0.134259783
specbzip_20 32kB 32kB 512kB 1 1 2 512 1.845058 96.9152 mm^2 7.66393706 W 0.2608993
specbzip_21 32kB 32kB 512kB 1 1 2 1024 2.099350 387.69 mm^2 29.19700202 W 1.286790833
specbzip_42 128kB 128kB 4MB 16 16 8 128 1.546864 45.406 mm^2 4.16782991 W 0.099726827
specbzip_47 128kB 128kB 4MB 16 16 8 256 1.541780 190.7295 mm^2 14.29206202 W 0.33973454

SPECMCF.

l1d_size l1i_size l2_size l1i_assoc l1d_assoc l2_assoc cacheline_size cpi Area Power EDP
specmcf_0 32kB 64kB 512kB 1 1 2 64 1.102247 9.00175 mm^2 1.415635234 W 0.0171993319
specmcf_1 64kB 64kB 512kB 1 1 2 64 1.099705 11.62949 mm^2 2.042112564 W 0.024696535
specmcf_2 128kB 64kB 512kB 1 1 2 64 1.097279 14.191 mm^2 2.420320621 W 0.0291412265
specmcf_3 128kB 128kB 512kB 1 1 2 64 1.097201 16.5196 mm^2 2.770917773 W 0.033357633
specmcf_4 128kB 128kB 1024kB 1 1 2 64 1.095253 18.60199 mm^2 2.773919925 W 0.0332751823
specmcf_5 128kB 128kB 2048kB 1 1 2 64 1.093063 22.12171 mm^2 2.777777323 W 0.0331883324
specmcf_6 128kB 128kB 2048kB 2 2 2 64 1.091023 22.37601 mm^2 2.795036583 W 0.033270009
specmcf_7 32kB 32kB 512kB 4 4 4 64 1.095318 18.90841 mm^2 2.305112822 W 0.027655035
specmcf_8 32kB 32kB 512kB 8 8 8 64 1.094928 12.53355 mm^2 2.065219226 W 0.0247593289
specmcf_9 128kB 128kB 512kB 8 8 8 64 1.094928 12.53355 mm^2 2.065219226 W 0.024759328
specmcf_10 128kB 128kB 512kB 4 4 4 128 1.077225 33.0362 mm^2 3.08049024 W 0.035746762
specmcf_11 128kB 128kB 512kB 4 4 4 256 1.072008 62.5001 mm^2 6.11432157 W 0.070266116
specmcf_12 128kB 128kB 512kB 8 8 8 256 1.071926 83.097 mm^2 9.70027851 W 0.1114594908
specmcf_13 64kB 64kB 256kB 8 8 8 256 1.075348 74.4836 mm^2 9.50890397 W 0.109958837
specmcf_20 32kB 32kB 512kB 1 1 2 512 1.557152 109.6617 mm^2 7.70478106 W 0.186819068
specmcf_21 32kB 32kB 512kB 1 1 2 1024 1.744485 387.69 mm^2 29.07736202 W 0.88489547

B.

Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα γραφήματα των εκάστοτε benchmark τα οποία δείχνουν τις επιδράσεις που είχαν οι αλλαγές των παραμέτρων του συστήματος στις απώλειες ισχύος του.

SPECSJENG

SPECHMMER

SPECLIBM.

SPECBZIP.

SPECMCF.

Γ.

Όπως και σε κάθε μοντελοποίηση, έτσι και σε αυτή του McPAT Power Simulator εισάγεται ένα σφάλμα. Στο ερώτημα αυτό θα μελετήσουμε τους διάφορους παράγοντες που μπορούν να εισάγουν κάποιο σφάλμα στην τελική μοντελοποίηση που κάνει το McPAT. Γενικότερα, ύστερα από ερεύνα στην βιβλιογραφία, είδαμε ότι το McPAT έχει αρκετά περιθώρια σφάλματος και θα αναλύσουμε κάποια από αυτά παρακάτω.

  • Ενας από τους κυριότερους λόγους που το McPAT δεν δίνει πλήρως ακριβή αποτελέσματα είναι ότι ο McPAT κάνει αρκετές θεωρήσεις/υποθέσεις/απλοποιήσεις όσον αφορά την δομή του επεξεργαστή που μοντελοποιεί καθώς δυστυχώς πολλές πληροφορίες του actual layout του εκάστοτε εμπορικού επεξεργαστή δεν είναι διαθέσιμες στην επιστημονική κοινότητα, όπως και είναι λογικό άλλωστε.

  • Ένας άλλος λόγος για τον οποίο η προσομοίωση του McPAT μπορεί να έχει μεγάλο σφάλμα είναι ότι οι πληροφορίες που έχει ο Model Developer είναι λανθασμένες.

  • Ένας παράγοντας που δεν λαμβάνει υπόψην του ο simulator McPAT είναι το Voltage Noise το οποίο υπάρχει σε πραγματικά επεξεργαστικά συστήματα. Κατά την διαδικασία του DVFS (Dynamic Voltage-Frequency Scaling) καθώς και του Power Gating και του Clock Gating δημιουργούνται ταλαντώσεις στην τάση τροφοδοσίας κάτι το οποίο μπορεί να επηρεάσει αρκετά τις πραγματικές απώλειες ισχύος δεδομένου ότι η ισχύς είναι ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης τροφοδοσίας.

  • Ακόμη η παρουσία Static/Dynamic IR Drop λόγω παρασιτικών χωρητικοτήτων μπορεί να επηρεάσει την τάση τροφοδοσίας η οποία, όπως είδαμε παραπάνω, επηρεάζει αρκετά τις απώελειες ισχύος.

  • Τέλος, υπάρχουν και τα input errors στο McPAT τα αποία αυξάνουν επίσης το σφάλμα μοντελοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, οι είσοδοι του McPAT είναι οι έξοδοι του GEM5 simulator στην συγκεκριμένη εργασία. Συνεπώς, καταλαβαίνουμε ότι εαν η μοντελοποίηση του GEM5 έχει μεγάλο βαθμό σφάλματος, τότε το σφάλμα αυτό θα μεταφερθεί και στην μοντελοποίηση του McPAT. Η μοντελοποίηση του GEM5 έχει επίσης σφάλματα όπως και κάθε μοντελοποίηση, και τα σφάλματα που μπορεί να έχει είναι παρόμοιας φύσεως με αυτά που έχει και το McPAT, όπως εξηγήσαμε παραπάνω. Πιο συγκεκριμένα, το GEM5 κάνει επίσης κάποιες υποθέσεις/απλοποιήσεις των πραγματικών επεξεργαστικών συστημάτων, λόγω του ότι ο Model Developer του GEM5 δεν έχει όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται για τον εκάστοτε εμπορικό επεξεργαστή.

Βιβλιογραφία

  1. McPAT: An Integrated Power, Area, and Timing Modeling Framework for Multicore and Manycore Architectures
  2. Quantifying Sources of Error in McPAT and Potential Impacts on Architectural Studies
  3. Full-System Simulation of big.LITTLE Multicore Architecture for Performance and Energy Exploration
  4. Power models for multicore processor simulators with multiple levels of abstraction
  5. Low Power Design in VLSI
  6. UNIT-1 Fundamentals of Low Power VLSI Design

Κριτική Εργασίας

Όπως και οι προηγούμενες, έτσι και αυτή η εργασία ήταν αρκετά ενδιαφέρουσα και εκπαιδευτική. Ένας από τους λόγους ήταν ότι είδαμε ότι σαν Αρχιτέκτονες πρέπει να κάνουμε κάποια trade-offs στις σχεδιαστικές μας λύσεις, καθώς η βελτίωση ενός παράγοντα, μπορεί να έχει επιτώσεις σε κάποια άλλη σχεδιαστική παράμετρο. Ακόμη, το τελευταίο ερώτημα που αφορούσε την εύρεση σφαλμάτων μοντελοποίσης ήταν αρκετά ενδιαφέρον καθώς μας έβαλε στην διαδικασία να σκεφτούμε και το ποσοστό σφάλματος που μπορεί να έχει η μοτελοποίηση μας, δηλαδή κατα πόσο μπορούμε να εμπιστευτούμε τα αποτελέσματα μας. Τέλος, οφείλουμε να αναφέρουμε ότι, με το πέρας των τριών αυτών εργαστηρίων έχουμε αποκτήσει πλέον κάποιες αρκετά βασικές γνώσεις της αρχιτεκτονικής ενός επεξεργαστή αλλά είχαμε και την δυνατότητα να πειραματιστούμε με διάφορα λογισμικά, όπως το gem5 και το McPAT, κάνοντας έτσι την μαθησιακή διαδικασία αρκετά ενδιαφέρουσα!