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Thèse Année : 2015

The Energy/Frequency Convexity Rule of Energy Consumption for Programs : Modeling, Thermosensitivity and Applications

La loi de convexité énergie-fréquence de la consommation des programmes : modélisation, thermosensibilité et applications

Résumé

Cette thèse s’intéresse à la consommation énergétique d’un système embarqué durant l’execution d’un programme. Une preuve théorique est présentée dans cette thèse et expérimentale de l’existence d’une loi de convexité énergie-fréquence de la consommation des programmes, qui concerne la consommation d’énergie et la fréquence des microprocesseurs à l’échelle nanométrique. Des noyaux de calcul intensif spécifiques ont été exécutés sur des processeurs d’applications typiques, à l’échelle nanométrique, et leurs caractéristiques mesurées en utilisant des capteurs de puissance à haute résolution. Les données recueillies lors de nombreuses campagnes d’acquisition de données longues de plusieurs semaines chacune suggèrent que la consommation est fortement corrélée avec la fréquence du microprocesseur et, ce qui est extrêmement intéressant, que la courbe présente un minimum clair sur la gamme de fréquences utilisables sur les processeurs. Un modèle analytique de ce comportement est fourni et motivé; il cadre particulièrement bien avec les données. Les circonstances dans lesquelles cette règle de convexité peut être exploitée sont discutées, en particulier dans le but d’améliorer l’efficacité énergétique du microprocesseur. La loi de convexité énergie-fréquence de la consommation des programmes est potentiellement plus exploitable par les systèmes de faible puissance, tels que les systèmes embarqués et alimentés par piles ou batteries, et moins susceptible de l’être par les systèmes informatiques de haute performance. La loi de convexité énergiefréequence de la consommation des programmes est également appliquée aux systèmes multi-coeurs, à la loi d’Amdahl et aux systèmes informatiques hétérogènes. Etant donné que la consommation d’énergie du microprocesseur dépend de sa température, une relation température/puissance au niveau macro pour les processeurs d’application est également introduite et validée expérimentalement dans cette thèse. En adoptant une vision holistique, ce modèle est capable de prendre en compte de nombreux effets physiques qui se produisent dans de tels systèmes. Via des mesures sur deux platesformes pertinentes comportant des processeurs d’applications à l’échelle nanométrique, il est montré que la relation puissance/température se comporte de manière exponentielle entre 20C et 85C. Les données suggèrent de plus que, pour une plage de températures comprise entre 20C et 55C, un modèle quadratique est toujours suffisamment précis et qu’une approximation linéaire est même acceptable. Des modèles de transformation d’énergie visant à annuler les biais liés à la température dans les mesures de puissance sont également présentés. Ces modèles de transformation ont été mis au point afin d’augmenter la précision et la pertinence des traces de mesure de puissance. Outre les mesures statiques de puissance, les comportements transitoires en puissance et température sont également analysés à l’aide des lois de refroidissement et des modèles température/puissance. Il s’avère que des modèles de refroidissement exponentiels sont justifiés pour des microprocesseurs refroidis de manière active. Cependant, pour les processeurs refroidis passivement que l’on trouve fréquemment dans les systèmes embarqués, une loi exponentielle ne peut pas être justifiée théoriquement. En conséquence, la loi ex-acte de refroidissement pour un corps à refroidissement passif est analysée, sous condition de refroidissement radiatif et d’un niveau modeste de perte de chaleur par convection. Si l’on se concentre sur les microprocesseurs embarqués, il y a une différence de performance entre la nouvelle loi de refroidissement passif et celle, exponentielle, classiquement utilisée. On montre que, pour les grandes surfaces, le refroidissement par rayonnement peut être comparable à celui lié à la convection. Toutefois, pour les grandes surfaces de refroidissement de l’ordre de 1dm2 ou plus, les différences entre la loi de refroidissement passif et la loi exponentielle de refroidissement sont importantes. Ces résultats suggèrent donc que, en l’absence de mesures précises de la température, une loi exponentielle de refroidissement n’est suffisamment précise que pour les petits systèmes SoC ne nécessitant qu’une faible charge de traitement.
Both theoretical and experimental evidence is presented in this work for the existence of an Energy/Frequency Convexity Rule, which relates energy consumption and microprocessor frequency for nanometer-scale microprocessors. Typical nanometer-scale application processors were monitored running specific compute-intensive kernels using high-resolution power gauges. Data gathered during several week-long acquisition campaigns suggest that energy consumed is strongly correlated with the microprocessor’s frequency, and, more interestingly, the curve exhibits a clear minimum over the processor’s frequency range. An analytical model for this behavior is provide and motivated, which fits well with the data. The circumstances are discussed under which this convexity rule can be exploited, and when other methods are more effective, with the aim of improving the microprocessor’s energy efficiency. The Energy/Frequency Convexity Rule is potentially more exploitable by low-power systems, such as battery-powered and embedded systems, and less likely by high-performance computer systems. The Energy/Frequency Convexity Rule is also applied to multi-buddy systems, Amdahl’s law and heterogeneous computing. Given that the microprocessor’s energy consumption is temperature-dependent, a macro-level temperature/power relationship for application processors is introduced and experimentally validated. By adopting a holistic view, this model is able to take into account many of the physical effects that occur within such systems. Via measurements on two pertinent platforms sporting nanometer-scale application processors, it is shown that the power/temperature relationship is indeed very likely exponential over a 20C to 85C temperature range. The data suggest that, for a temperature range between 20C and 55C, a quadratic model is still accurate and a linear approximation is acceptable. Power transformation models are also presented that aim at canceling the temperature biases in power traces. These transformation models are developed to increase the accuracy and meaningfulness of power measurement traces. Besides static power measurements, the transient power and thermal behavior are also analyzed by means of the cooling laws and the temperature/power relationship models. Exponential cooling models are justified for actively-cooled microprocessors. For passively cooled processors however, as frequently found in embedded systems, an exponential law may not be theoretically justified. Here, the tractability of the exact cooling law for a passively-cooled body is analyzed, subject to radiative cooling and a modest level of heat loss via convection. Focusing then on embedded microprocessors, the performance difference between the new passive cooling law and the conventionally-used exponential one is compared. It is shown that, for large surface sizes, the radiative cooling component can be comparable to the convective cooling one. However, for large cooling surface areas of the order of 10 cm2 or more, it is shown that the differences between the passive cooling law and the exponential cooling law are significant. The results thus suggest that, in the absence of accurate temperature measurements, an exponential cooling law is only accurate enough for small-sized SoC systems that require low processing overhead.
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Dates et versions

tel-01258577 , version 1 (19-01-2016)

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  • HAL Id : tel-01258577 , version 1

Citer

Karel de Vogeleer. La loi de convexité énergie-fréquence de la consommation des programmes : modélisation, thermosensibilité et applications. Informatique [cs]. Telecom ParisTech, 2015. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01258577⟩
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