ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ"

Σαπφώ Σπηλιωτόπουλος
5 χρόνια πριν
Προβολές:

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΜΝΗΜΩΝ CACHE ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΤΗ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ON THE

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ, ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΣΤΟ ΧΩΡΟ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΜΝΗΜΩΝ CACHE ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΤΗ ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ON THE EXLORATION AND OPTIMIZATION OF CACHES UNDER PARAMETRIC VARIATION Μεταπτυχιακή Διατριβή Χαράλαμπος Γ. Αντωνιάδης Επιβλέποντες Καθηγητές : Ευμορφόπουλος Νέστωρας Επίκουρος Καθηγητής Σταμούλης Γεώργιος Καθηγητής Τσομπανοπούλου Παναγιώτα Επίκουρος Καθηγήτρια Βόλος, Ιούλιος 2014

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ Αναζήτηση στο χώρο σύνθεσης και βελτιστοποίησης μνημών cache κάτω από τη διακύμανση παραμέτρων Μεταπτυχιακή Διατριβή Χαράλαμπος Γ. Αντωνιάδης Επιβλέποντες : Ευμορφόπουλος Νέστωρας Επίκουρος Καθηγητής Σταμούλης Γεώργιος Καθηγητής Τσομπανοπούλου Παναγιώτα Επίκουρος Καθηγήτρια Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 11 η Ιουλίου Ν. Μπέλλας Π. Τσομπανοπούλου Χ. Δ. Αντωνόπουλος Αναπληρωτής Καθηγητής Επίκουρος Καθηγήτρια Επίκουρος Καθηγητής

3 Μεταπτυχιακή Διατριβή για την απόκτηση του Μεταπτυχιακού διπλώματος Ειδίκευσης «Επιστήμη και Τεχνολογία Υπολογιστών, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων» του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, στα πλαίσια του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών του Τμήματος Μηχανικών Η/Υ, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας... Αντωνιάδης Χαράλαμπος Διπλωματούχος Μηχανικός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, Τηλεπικοινωνιών και Δικτύων Πανεπιστημίου Θεσσαλίας Copyright Charalampos Antoniadis, 2014 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα.

11 µ = 6.74E 10 σ = 2.74E 12 I ds V ds α V gs = 1.1V µ = 1.94E 10 σ = 7.98E 13 µ = 7.2E 3 sd = 0.036E 3

12 µ = E 9 σ = E 12 µ = E 9 σ = E 11 µ = E 10 σ = E 12 µ = E 10 σ = E 12 µ = E 9 σ = E 10 µ = E 9 σ = E 12 µ = E 9 σ = E 12 µ = 5.71E 9 σ = E 12

13 SRAM PDF EVT CMOS MOSFET FinFET CMP PF MC EMC IS LUT WID

25 I leak = µ eff C ox W L u2 t (1 e ( V dd u t ) ) e ( V th V off n u t ) µ eff C ox W /L u t V th V off V gs = 0 V ds = V dd

26 P leak inv = I leak pmos + I leak nmos V DD 2 I leak pmos I leak nmos P leak nand2 = I leak nmos SF nand2 V DD SF nand2 P leak = P leak network + P leak peripheral circuitry + P leak mem array P peripheral circuitry = (P leak decoder + P leak senseamps ) N banks N subbanks N mats in subbank

27 P leak mem cells = N subarr rows N subarr cols P mem cell P mem cell = V DD I cell leakage I cell leakage = (n N I N + n P I P )k design n N n P I N I P k degign

28 R e ff C drain C gate C gate (W ) = W L eff C gate + L poly L eff C polywire L eff W L poly C gate C polywire C drain (W ) = A D W C diffarea + P D C diffside + W C diffgate

29 A D = W L D P D = W + 2 L D C diffarea C diffside C diffgate C diffgate R V ds I ds

30 R eff = V DD I eff I eff = I H + I L 2 I H = I DS (V GS = V DD, V DS = V DD 2 ) I L = I DS (V GS = V DD 2, V DS = V DD ) x C eq R eq Vx Req Ceq [ ( uth )] 2 delay = t f + 2trise b(1 u th )/t f V dd V dd

31 u th t rise t f t f = R eq C eq b b = 0.5 t fall [ ( delay = t f 1 u )] 2 th 2t fall b u th + V dd V dd t f b = 4 u th1 u th2 [ ( uth )] 2 delay = t f + 2trise b(1 u th )/t f + V dd V [ ( dd uth1 ) ( uth2 ] t f V dd V dd [ ( delay = t f 1 u th )] 2 2t fall b u th + + V dd V dd t f ( 1 u ] th2 V dd [ ( t f 1 u ) th1 V dd T step = [ R 2 C 2 + (R 1 + R 2 )C 1 ] ( ustart u end ) u start u end u start >

32 u end u start V dd u end u start u pre u end u pre u sense delay = { V 2T DD V th step, if T m step 0.5 V DD V th m T step + V DD V th, if T 2m step > 0.5 V DD V th m R1 C1 C2 R2 T access = T request network + T mat + T reply netork T mat = MAX(T row dec path, T col dec path ) T row dec path = T row dec + T bitline + T senseamp T col dec path = T col dec

33 T cycle time = max(t row dec path + T wordline reset + T bl restore, T between buffers htree network, T col dec path ) R wire = ρ d (thickness barrier)(width 2barrier) d < 1 ρ C wire = ε 0 (2Kε horiz thickness spacing + 2ε width vert layerspacing ) + fringe(ε horiz, ε vert )

34 τ = ( 1 l R o(c 0 + C p ) + R ) o s C wire + R wire sc R wire C wire l C 0 C p R o l s C 0 C p R o R wire C wire L optimal = 2R o (C 0 + C p ) R wire C wire S optimal = Ro C wire R wire C 0 delay = τ len len L optimal S optimal P leakage = 1 + β V DD I leak 2 β I leak W = W min.nmos S optimal

35 l Ro Rwire Cp Cwire C0 Repeater t delay = nand delay + inverter delay + driver delay nand inverter driver P leakage = 4 (P leak inv + P leak nand2) P leak inv P leak nand2

36 t driver = (R driver (C wire + C drain ) + R wire C wire /2 + (R driver + R wire ) C senseamp ) C wire R wire R driver C drain P leak = 4 P leak inv P leak inv

41 P δp = δp D2D + δp W ID = δp D2D + δp rand + δp sys V th L V th L V th L V th L eff V th L eff δv thrand δl eff rand δv thrand δl eff rand δv thrand δl eff rand σδv thrand δv th δl eff L eff = L eff nominal + δl eff V th = V thnominal + δv th I eff R eff I eff C g/diff R eff C g/dif τ N

42 delay α α = 1.3 I DS α α α = 1.3 I on

43 400 Bitline delay distribution Occurrences Delay(s) x µ = 6.74E 10 σ = 2.74E 12 0, if V gs V th W P I DS = c L eff P u (V gs V th ) α/2 V ds, if V ds < V d0 W L eff P c (V gs V th ) α, if V ds V d0 P c P u V d0 V d0 = P u (V gs V th ) α/2 P c P v V d0 α α α δv th δl eff

44 Ids(A) 10 4 alpha power Model Shockley Model HSpice Delay[s] I ds V ds α V gs = 1.1V 400 Max bitline delay distribution Occurrences Delay(s) x µ = 1.94E 10 σ = 7.98E 13 L eff = L eff nominal + δl eff V th = V thnominal + δv th 5.5 2

45 600 Total Leakage Power distribution 500 Occurrences Power(W) x 10 3 µ = 7.2E 3 sd = 0.036E 3 dish random 0 σ = 6 N

46 Y =... f ( )C(h( )) x 1 x 2... x n x2 x n x 1 = (x 1, x 2,..., x n ) f ( ) = f X1 (x 1 )f X2 (x 2 )... f Xn (x n ) y = h( ) C(h) = 1 h 1 ( ) < 10 9 s h 2 ( ) < 10 9 W f o (h( )) f ( ) ( ) h( ) i = 1, 2..., N

47 Y Y N i=1 C(h( )) N f ( ) ( ) h( ) F (h( )) y c P [Y y c ] θf X (x) x = θf X (x) g(x) g(x) x = θfx (x) g(x) g(x) x = E g( θf X(x) g(x) ) θ... g ( ) := f 1 γ ( ) = f 1 γ X 1 (x 1 )f 1 γ X 2 (x 2 )... f 1 γ X n (x n ) f ( ) γ > 0 f o (h( )) g X (x) f X (x) f X (x) γ = 0 γ = 1

48 Y C(h( i ))f ( i ) γ fx ( ) γ f 1 γ ( ) f 0 f 0 g X (x) = f (1 γ) X (x) f X (x) N(µ, σ) g(x) = f(x, µ, σ) = 1 σ (x µ) 2 2π e 2σ 2 1 σ (1 γ) ( e 2π) (1 γ) (x µ) 2 (1 γ) 2σ 2 1 g(x) = e σ (1 γ) ( 2π) 2π γ (x µ) 2 (1 γ) σ 2γ ( 2π) 2γ 2σ 2 σ 2γ ( 2π) 2γ σ = σ1 γ ( 2π) γ g(x)

49 g(x) = 1 σ 2π e (x µ) 2 (1 γ) 2 σ 2γ ( 2π) 2γ 2σ 2 g(x) = 1 ((x µ)κ) 2 ) σ 2π e 2σ 2 κ = ( 1 γ) σ γ ( 2π) γ g(x) x = κx µ = κµ g(x) = 1 (x µ ) 2 ) σ 2π e 2σ 2 x x = x /κ N(µ, σ )

50 1 The natural sampling function f(x) X 1 The EMC sampling function g(x) X

51 i = 1... I P i = 1... I M i p j M I p j = (z 1,..., z I ) j = 1... M z i ε p j P P 0 + I (z i ) P 0 M M M mats.in.a.subbank cols.in.a.subarray rows.in.a.subarray i=1

52 P dyn () cost(arch) = min.dynamic.power en.for.dyn.power.opt + T access () min.delay en.for.delay.opt + P leak () min.leakage.power en.for.leak.power.opt + T cycle.time () min.cycle.time en.for.cycle.time.opt P dyn () (1 + a) min.dyn.power P leak () (1 + b) min.leak.power T access () (1 + c) min.delay T cycle.time () (1 + d) min.cycle.time = {N banks, N subbanks, N mats.in.subbank, N subarr.rows, N subarr.cols,...} P dyn () P leak () T access () T cycle.time ()

53 min.dynamic.power min.leakage.power min.delay min.cycle.time a b c d a b c, d en.for.dyn.power.opt en.for.delay.opt en.for.leak.power.opt en.for.cycle.time.opt P dyn () P leak () T access () T cycle.time () P dyn () P leak () T access () T cycle.time () max( ()) max( ()) max( ()) max(. ())

54 cost() = max( ()) min.dynamic.power en.for.dyn.power.opt + max( ()) en.f or.delay.opt + min.delay max( ()) min.leakage.power en.for.leak.power.opt + max(. ()) en.f or.cycle.time.opt + min.cycle.time max.y ield en.for.y ield.opt Y ield() max( ()) (1 + a) min.dyn.power max( ()) (1 + b) min.leak.power max( ()) (1 + c) min.delay max(. ()) (1 + d) min.cycle.time

56 350 Bitline delay distribution of cfg1 Occurrences Delay[s] x µ = E 9 σ = E 12

57 350 Bitline delay distribution of cfg2 Occurrences Delay[s] x 10 9 µ = E 9 σ = E decoder+wordline delay distribution of cfg1 Occurrences Delay[s] x µ = E 10 σ = E Decoder+wordline delay distribution of cfg2 Occurrences Delay[s] x µ = E 10 σ = E 12

58 500 htree network delay distribution of cfg3 400 Occurrences Delay[s] x 10 9 µ = E 9 σ = E Total access time distribution of cfg1 100 Occurrences Delay[s] x 10 9 µ = E 9 σ = E 12

59 80 Total access time distribution of cfg2 Occurrences Delay[s] x 10 9 µ = E 9 σ = E Total access time distribution of cfg3 80 Occurrences Delay[s] x 10 9 µ = 5.71E 9 σ = E 12

Σχετικά έγγραφα

.Λιούπης. Ψηφιακά Ηλεκτρονικά - Ηµιαγωγικές Μνήµες 1

.Λιούπης. Ψηφιακά Ηλεκτρονικά - Ηµιαγωγικές Μνήµες 1 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Ηµιαγωγικές µνήµες.λιούπης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά - Ηµιαγωγικές Μνήµες 1 Τυπική εσωτερική οργάνωση µνήµης γραµµές λέξης wordlines () κύκλωµα προφόρτισης (pre-charge circuit) γραµµές ψηφίου