GeorgiosKalantzis / Computer_Architecture_Labs3

Computer Architecture Lab 3

Ομάδα 11

Καλαντζής Γεώργιος 8818 [e-mail]

Κοσέογλου Σωκράτης 8837 [e-mail]

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!