מערכות Superscalar CPU מודרניות להשיג גבוה באמצעות ביצוע הוראות מרובות מחזור השעון, אבל זה הישג ביצועים מגיע בעלות משמעותית צריכת חשמל.כפי יעילות אנרגיה הופכת לדאגה העיקרית בכל דבר מהמכשירים ניידים למרכזי נתונים היפר-ממדיים, יישום לוח זמנים בעל מודעות כוח התפתח כאסטרטגיה עיצובית קריטית. מאמר זה חוקר את העקרונות, הטכניקות, ואת האתגרים של שילוב של מודעות כוח לתוך ההוראה של מעבדי תזמון.

יסודות של אדריכלות סופרסקלאר וצריכת חשמל

כדי להבין לוח זמנים בעל מודעות כוח, יש קודם כל להעריך את מקורות של פיזור כוח במעבד סופרקלאר. צינור סופר-קלזאר טיפוסי כולל להביא, קוד, שם, בעיה, ביצוע, ולבצע שלבים.כל שלב משתמש כוח דינמי (העברה להחלפת פעילות, מתח, ותדירות) וכוח סטטי (שלב הנוכחי) את מספר רחב של תאים, כולל מספר דינמית של כוח קידוד, כולל יחידות מדידה, כולל של כוח עליון, כולל, כולל של כוח עליון, כולל, כולל מספר לוגיקה, כולל, כולל, לחץ על גביית, כולל, כולל מספר סטנדרטים, כולל, כולל, כולל מספר סטנדרטים של כוח עליון, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל מספר גדול של כוח עליון, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל מספר גדול של כוח עליון, כולל מספר גדול של כוח סקאלה, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל מספר גדול של כוח סקאלה, כולל מספר גדול של כוח סקאלה, כולל, כולל, כולל מספר רב של כוח סקאלה, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל מספר רב של מספר סקאלה של מספר

Power-aware תזמון ישירות מטרות הסחר-off בין תמצית מקבילות ברמת ההוראה (ILP) וניהול תקציב החשמל.ללא תזמון כזה, מעבד עשוי להגיע למגבלות תכנון תרמיות (TDP), גרימת התכווטות למעשה מקלקלות ביצועים.המטרה היא להתאים באופן דינמי החלטות תזמון - כגון קצב הוראה, בחירת ביצוע, וספקולציות - להישאר בתוך כוח וקצב תוך כדי מיקסום באמצעות מגבלות.

טכניקות ליבה ל-Power-Aware Scheduling

דינמי וולט ותדירות גבוהה Scaling (DVFS)

DVFS הוא טכניקת ניהול כוח מאומצת ביותר.על ידי צמצום המתח התפעולי והתדירות, המעבד יכול להשיג חיסכון כוח ליד-cubic (כיוון שכוח דינמי ⁇ C × V2 × f) בהקשר של תזמון, DVFS לעתים קרובות משולב עם חיזוי עומס עבודה.הלוח הזמנים של אינטל מספק את שילוב ההוראה וניצול צינור, ולאחר מכן שולח בקשות לבקר מתח.

שעון GING ו-Power Gating

שעון המפרק את אות השעון ליחידות פונקציונליות לא בשימוש, חיסול כוח דינמי בבלוקים אלה. Power-aware לוח הזמנים יכול לשפר את השעון המאגד על ידי עזיבת יחידות בכוונה idle כאשר השימוש שלהם יספק רווחים שוליים ILP.לדוגמה, אם לוח הזמנים רואה כמה הוראות צף בחלון, הוא יכול להסיט פעולות הרחק מהצנרת הצף ומאפשר לפענוח לחלוטין את לוח הזמנים של כוח המשיכה, אך ורק כדי לנבא את לוח הזמנים של כוח לחץ ארוך טווחי כוח לחץ על פני לוח זמנים של כוח לחץ ארוך יותר, אך לחץ על ידי צמצם את לוח זמנים של כוח לחץ ארוך טווח לחץ ראש.

הוראה Throttling ו- Width control

במעבד סופרקלאר, שלב הנושא בוחר עד N הוראות מחזור מתחנות ההזמנה. Throttling מגביל רוחב זה - לדוגמה, הנפקת רק 2 הוראות למרות החומרה תומכת 4. זה מקטין את מספר יחידות ביצוע פעיל במקביל, מוריד את שני דינמיות סטטי כוח.

Power-Aware הוראה מחדש ו- Dispatch

לוח זמנים מסורתי מחוץ לזמין מראש את ההוראות כי פותחות רשתות תלויות, למקסם את ILP. גרסה של כוח-מודע מוסיף קריטריון שני: העלות האנרגיה של שימוש יחידות הוצאה להורג מסוימות.לדוגמה, יחידת חלוקה עשויה לצרוך 5× את האנרגיה של יחידת תוספת.הלוח יכול לעכב הוראה עצמאית אם הוראה פשוטה יותר היא מוכנה ותקציב הכוח הוא חזק.

בקרת מפרט

מעבדי Superscalar מסתמכים מאוד על תחזית הענף וביצוע קידוד כדי למלא את הצינור.ספקולציות במורד הנתיב הלא נכון לבזבז את הכוח להביא, מרתיע, וביצוע הוראות שגויות. Power-aware תזמון יכול להתאים באופן דינמי את הדחיסות של הענף או להגביל את העומק (למשל, להגביל כמה סנפירים לא פתורים הם בדגמים חיזוי מבוסס על אמינות יכול לגרור חיזוי נמוך של החיזוי או להגביל את הרזולוציה נמוכה של ה-זמנית כאשר יש מגבלות של ה-זמנית של ה-זמנית של ה-זמנית.

תמיכה ארכיטקטונית ב-Power-Aware Scheduling

יישום לוח זמנים של כוח מודע דורש שינויים בשלבים מרובים של צינורות.הלוח חייב להיות גישה הערכות כוח בזמן אמת, קריאות חיישן תרמי, ומודלים אנרגיה. שבבי מודרני לשלב חיישנים נוכחיים, הרגולטורים מתח עם טלמטרי, ודידות טמפרטורה. נתונים אלה הם ניזונים לתוך לפקח כוח מחזורי המספק ספקולציות אנרגיה עבור החלון הבא.

Power Modeling in Hardware

ייצור חשמל מתואם הוא חיוני אבל לא-trivial. דינמי כוח תלוי בפעילות ההחלפה של כל יחידה פונקציונלית, אשר הוא עצמאי עומס עבודה. הצעות מחקר רבות להשתמש בדלפק פעילות מצטברים על קווי אוטובוס, לרשום יציאות קבצים, וקלטי יחידת ביצוע.נגד אלה מעודכנים כל מחזור ומוכפלים על ידי יחידות ספציפית כוח coefficients.

יישום לוח הזמנים

לוח הזמנים עצמו יושב בשלב הנושא.בעיצוב יוצא דופן, לוח הזמנים בוחר מתוך מאגר של הוראות מוכנות המבוססות על גיל, גובה תלות או עדיפות.עבור מודעות כוח, כל הוראה יכולה לשאת "תג אנרגיה" הנגזר מטיפוס הקודר, ההגיון לאחר מכן מיישם אלגוריתם בחירה רב-גוני, חייב לכבד את הבעיה, להגביל את לוח הזמנים של כל אחד מהם, אך באופן טיפוסי, את ה-התקציב, אך הוא יכול להיות מכווץ, אך ורק במקרה, כמו גם את הבעיה.

גישה נוספת היא להשתמש ב"חלון הדרכה בעל עוצמה" שבו גודלו של ה-buffer הסידורי מופחת באופן דינמי תחת לחץ כוח גבוה. חלון קטן מגביל את מספר ההוראות בטיסה, צמצום לחץ הקבצים והשערה מעל הראש.זה למעשה כוח שמסחר ILP לעוצמה נמוכה יותר.

Machine Learning and Predictive Power Management

לעתים קרובות, היסטרים סטטיים נופלים קצרים מכיוון שמאפיינים של עומס עבודה משתנים במהירות.מודלים של למידת מכונה (ML) במיוחד למידה חיזוק (RL), הראו הבטחה בלמידה של מדיניות תזמון אופטימלית.לדוגמה, סוכן RL יכול להתבונן במדינה (כוח נוכחי, טמפרטורה, IPC, שיעור הפחתת שיעור הפחתת אחריות) ופעולות בחירה (רוחבשורה, רמת DVFS, עומק).

עם זאת, יישום ML בתוך מעבד דורש מודלים קלים של החלטות או רשתות עצביות קטנות עם משקולות בינאריות ניתן לסנתז בחומרה עם שקיפות נמוכה.האימון יכול להיעשות לא מקוון על עומסי עבודה טיפוסיים, ואת הפרמטרים המודל המוטעים בזיכרון שבב. לחלופין, למידה מקוונת יכולה להתאים לדפוסים חדשים, אם כי עלייה במעבדים עתידיים עשויה לכלול "ניהול כוח" ייעודי כי הפעלת אלגוריתמים ועדכונים אלגוריתמים ליבה של תזמון להעדפות הליבה של אלגוריתמים ועדכונים מרכזיים.

דוגמאות לשיטות ותעשייה

מעבדים מסחריים יותר ויותר משלבים לוח זמנים של Power-aware.B.B.S. Skylake ו-News משתמשים ב-"כוח שליטה" (PCU) המנטר את החיישנים ומתאים את התדר והמתח לכל הליבה או לכל אשכול.ה-PCU משפיע גם על לוח הזמנים של ההוראה באמצעות אותות מתעתקים כאשר כוח עולה על גבולות.ARM's גדול.

בתחום המחקר, IBM POWER7 הציג לוח זמנים "וואט-מודע" שיכול לשנות הוראות בין יחידות צף וקטור מבוסס על תקציבי חשמל. לאחרונה, אדריכלות "Halide" על ידי Gruber et al. (2021) מציע לוח זמנים המשתמש מודל חיזוי קל משקל כדי להחליט בין ביצוע הוראה עומס (שעשויים לפספסים וכוח גבוה מפעילות זיכרון) לעומת פעילות רישום-סטרואלית.

(הופנה מהדף "לדעת" (ב) "מבחינת פאוור-אזהרה של מערכות מרובות-מעבדות" מאת ז'ולב et al. (2012)FLT:1 for a Deep צלילה לדגימה של כוח, מתייחס ל-FLT:2" פועל כוח מתמשך במעבדים גבוהים: Method and Empir Data מאת Iscirilitirirure ו-MarosFware: 4 בינואר 2015 הוא יצירה רלוונטית: "ELT5".

אתגרים ב Power-Aware Scheduling

Accuracy of Power and Thermal Models

ההחלטות של לוח הזמנים נשענות על הערכות כוח אמינות.עם זאת, כוח דינמי קשה לשמצה למדוד מחזורי מחזור על אופניים. הצעות רבות להשתמש בכוח ממוצע על חלון, אשר עלול להיכשל כדי למנוע ספייקטים תרמיים טרנספורמטיביים.אפקטים התרמומליים מוסיפים זמן איטי קבוע; פרץ כוח קצר עשוי לא לגרום להתחממות יתר, אבל כוח גבוה מתמשך חייב לשקול אנרגיה מיידית מצטברת.

ביצועים מעל פני השטח לעומת חיסכון באנרגיה

כל פעולה חוסכת כוח - רוחב הנושא מובחן, DVFS, ספקולציות מתעתקת - מבזבזת עונש ביצועים.אמנות של לוח מודעות כוח הוא למזער את אובדן הביצועים תוך מיקסום חיסכון באנרגיה. הנקודה האופטימלית תלויה עומס העבודה והעדפות המשתמש (למשל, ביצועים-וואט לעומת ביצועים מוחלטים).

אינטגרציה עם מנהלים בעלי עוצמה גבוהה יותר

מערכות מודרניות יש שכבות מרובות של ניהול חשמל: לוח הזמנים של מערכת ההפעלה, קושחה המערכת (ACPI), ואת לוח הזמנים חומרה.שכבות אלה חייבות לשתף פעולה. לדוגמה, מערכת ההפעלה עשויה לבקש מצב חשמל מסוים (P-state) באמצעות ACPI, אבל לוח הזמנים החומרה עשוי עוד רוחב של בעיה בסדר גודל בתוך אותה מדינה.סכסוכים יכולים להתעורר אם מערכת ההפעלה על פני החלטות חומרה.

כיוונים עתידיים

כשטכנולוגיית הסיליקון עולה לנקודות קטנות יותר, דליפות סטטית הופכת לחלק גדול יותר של כוח מוחלט.זה הופך את הכוח להגדלת ושמירה יעילה של המדינה אפילו יותר חשוב. לוחות הזמנים העתידיים עשויים להשתמש "מחשוב שלילי" שבו מתח יורד ליד מתח הסף, הדורש תזמון זהיר כדי להימנע מהפרות תזמון. בדומה, סיליקון כהה - כמו שבב שחייב להישאר בלתי מופעל עקב מגבלות תרמיות - ניתן להשתמש על ידי הפעלת החלטות לא רק אדמדן, אך לא רק כדי לקבוע לוח זמנים מיוחד.

כיוון מבטיח נוסף הוא השימוש של מחשוב משוער.חלק עומסי עבודה סובלים ממחסור (למשל, עיבוד תמונה, למידת מכונה) לוח זמנים יכול לדלג בכוונה על הוראות מסוימות או להפחית דיוק (למשל, להשתמש בקידוד נמוך) כאשר כוח הוא מוגבל, מתן השפלה ביצועים חיננית במקום התכווצויות פתאומיות.

לבסוף, השילוב של לוח זמנים בעל מודעות כוח עם בקרים זיכרון ורשת-on-chip (NOC) יהיה קריטי במעבדים רבים של קודר.הלוח הזמנים עשוי להימנע מהנפקת הוראה זיכרון כאשר תקציב הכוח של DRAM מותש, או שהוא עשוי לנווט את התנועה לנתיבים פחות מקובעים NoC כדי להפחית את הכוח הדינמי בחיבור.

מסקנה

Power-aware תזמון הוא לא תוספת אופציונלית אבל צורך במערכות Superscalar CPU מודרני כי חייב לאזן ביצועים עם יעילות אנרגיה. על ידי התאמה דינמית של נושא ההוראה, ספקולציות, מתח, הקצאת משאבים, מעבדים יכולים לפעול בתוך תקציבי תזמון הדוקים בעוד עדיין לספק גבוה דרךput.הטכניקות מ DVFS פשוט כדי מתוחכמת למידה מבוססת מחשבתית, האתגרים של ביצועים מדויקים, ועוד, כמו גם פיתוח יעיל יותר של מערכות מחשוב, כמו גם, כמו גם, כמו גם של אזורי ייצור יעיל יותר, כמו גם חומרים יעילים יותר, כמו גם, כמו גם, כמו גם של מערכות מחשוב יעיל יותר, כמו גם, כמו גם, כמו גם, כמו גם, לטווח של מערכות מחשוב יעיל יותר.