Giriş Giriş Giriş

Modern mobil cihazlar, talep edilen uygulamalar için gerekli yüksek performansları sunmak için süper işlemcilere güveniyor - video akışı ve artırılmış gerçeklikten gerçek zamanlı oyun ve makine öğrenimine geçiş.Bu işlemciler, saat döngüsü boyunca birden fazla talimat kullanarak hızlarını elde ediyor, derin boru hatları, aşırı siparişler ve spekülatif teknikler için ihtiyaç duyuyor. Ancak bu mimari karmaşıklığı her zamankinden daha yüksek verimlilik ünitesi ve daha yüksek saat frekansına göre yüksek hızlayıcılar için yüksek çözünürlükte.

Superscalar Processors

Bir süperscalar işlemcisi birden fazla yürütme birimi içerir (örneğin, tamsayı ALUs, yüzen birim, yük / istasyon birimleri) ve her döngüden daha fazla yol gönderebilir. Bunu yapmak için karmaşık mantık kullanır, sıralama, kayıt yeniden başlatma ve bağımlılık kontrolü.

  • [FONT:0)Instruction get and decode:) Kaynak önbelleklerinden gelen ve kodlarını tespit etmek için onları kodlayan birçok talimatları okuyun.
  • [FONT:0)Yönetici:[Dönetici:[Dönetici:0)[değiştir | kaynağı değiştir], mimari kayıtları daha büyük bir fiziksel kayıt setine haritalayarak (daha sonra yaz, yaz-yazma) yazma.
  • [FONT:0]Reservation istasyonları ve yeniden sipariş tampon: Işık talimatlarında Track, operanın kullanılabilirliğini izlemek ve bu sonuçların programda işlediğini sağlamak.
  • [FONT:0) Çok sayıda fonksiyonel birim:[Dönetici:[Dönetici:0) Bağımsız talimatların uygulanabilir paralel uygulanması.

Bu mekanizmalar tarafından çıkarılan paralellik doğrudan bağlantı yoluyla güçlendiriyor - ancak her ek işlevsel birim ve onları yöneten kontrol mantığı, her döngüyü değiştiren, dinamik güç tüketimi yükselten transistör sayısı artırıyor. Dahası, sızıntı gücü, hangi işlem düğümleri hakim, faaliyetten bağımsız olarak büyür.

Mobil Cihazlarda Güç Tüketimi Meydanları

Mobil cihazlar süperscalar işlemcilerde güç yönetimi yapan eşsiz bir kısıtlama sunmaktadır:

  • [[Dönemli batarya kapasitesi:[Dönemli: 0,3|0] Telefonlar ve tabletler genellikle 3000-5000 mAh aralığında bataryaya sahiptir. Ağır yük sırasında birkaç watt bile çizen bir işlemci, bataryayı saatlerce boşaltabilir.
  • [FONT:0) ⁇ kısıtlamaları: [Dönüşük ısı, cilt ısısını aşırı konfor ve güvenlik sınırlarından önlemeye yol açar. Heat ayrıca batarya bozulmasını hızlandırır ve diğer bileşenlere zarar verebilir.
  • [FONT:0) Kullanıcı deneyimi talep ediyor:[Dönetici:0) Kullanıcılar aktivite patlamaları için anında yanıt vermelerini bekler (örneğin, uygulama başlatı, web sayfası oluşturma) ve aynı zamanda uzun süre boyunca uygun zaman gerektiren durumlarda, işlemcinin kısa ve sonra kısa bir süre içinde yüksek performansa geri dönebilmeleri gerekir.
  • [FONT:0)Process teknolojisi ölçeklendirme:[Dönetici:[Dönetici:0))Process teknoloji ölçeklendirme:[Dönetici:[Dönetici:0))) Transistörler olarak, statik sızıntı akımları artırmak, boş zamanlar boyunca düşük gücü korumak için daha zor hale getirmek.
  • [[Dönetici:0)İş yükü varite:[Dönetici:[Döneticileri) Mobil iş yükleri son derece heterojendir: bir işlemci bir video decode, bir kullanıcı arayüzü parçası, arka plan senkronizasyon işi ve bir sensör işleme görevi aynı anda.

Bu zorluklar mimari yenilikleri, devre seviyesinde teknikleri ve akıllı runtime kontrolünü birleştiren çok yönlü bir yaklaşım talep eder.

Anahtar Güç Yönetimi Stratejileri

Dinamik gerilim ve Frekans Scaling (DVFS)

DVFS, modern mobil işlemcilerde en yaygın kullanılan güç yönetimi tekniğidir.The Supply voltaj and hour frequency when the workload does not require top performance, so lowering both dynamic power ( which scales asurFLT:0) and, to less CPU use, metrics (kıtlıtlama) ve paralellik gibi uygun bir şekilde çalışır.

Gelişmiş DVFS uygulamaları, iş yük değişikliklerini tahmin etmek için tahmin edilebilir algoritmaları kullanır. Örneğin, bir OS valisi ekrandan önce frekansları artırabilir, tarihsel desenlere dayanarak. Son araştırmalar, geçmiş izlerini ve sensör verilerini kullanarak gelecekteki kullanımları tahmin eden makine öğrenme modellerini araştırıyor, sabit-politik valilerden daha iyi enerji devrelerine ulaşır.

Önemli bir mobil DVFS yaklaşımı şöyledir:0)per-core DVFS[DDDVFS][[DDDD) , her bir çekirdek çok çekirdekli süper işlemcinin farklı bir gerilim ve frekans alanındaki çalışmasını sağlar: bir ışık yükü, daha yüksek bir OPP'de bir hesaplamalı yoğun bir görevde çalıştırılabilir.

Dış referans:0)Dynamik gerilim genel bakış açısını ölçeklendirme[Dynamic gerilim ölçeklendirme[Dynamic gerilim”)

Güç Gating

Güç gating, boş boş boş boşluğa sahip olan veya tedarik geriliminden tüm temelleri azaltarak sızıntıyı azaltır. Bir uyku transistatörü (veya üst düzey / ayaklı) güç dağıtım ağına eklenir; üniteye ihtiyaç duyulmadığında, transistörlüğün devre dışı bırakılması, bloku izole eden bir sanal tedarik rayı oluşturmak. anahtar meydan okuma, gecikme süresi geri yüklemenin maliyetidir: güç rayını stabil bir gerilime geri yükleme ve yeniden yükleme durumuna on ila yüzlerce nanosaniyeye kadar sürer.

Mobil süperscalar işlemcilerde, güç gating genellikle temel düzeyde uygulanır (örneğin, büyük bir düğümde tüm büyük bir temele geçiş, kritik bir teknikte güçlendirici yapmak. Örneğin, paylaşılan bir yüzen-point ünitesi, sadece tam anlamıyla talimatların çalıştırıldığı zaman güç devretebilir.

Dış referans:0)IEEE kağıtı güçlendirici teknikler üzerinde).

Saat Gating

Saat gating, dinamik gücü, saati kesin elementlere (flip-flops, latches) değiştirmek için gerekli olmadığında, süperscalar işlemcide, birçok işlevsel birim – şube tahminci, yeniden mantık ve sorun olarak – sadece belirli koşullar altında aktif olarak, bu bloklarda geçiş faaliyeti ortadan kaldırılabilir, saat boyunca güçlendirici ve frekanslar için tasarruf sağlar.

Saat gating genellikle maksimum etki için güçle birleştirilir: Saat gating ilk önce dinamik gücü ortadan kaldırmak için uygulanır ve sonra güç gating, boş dönemin yükünü haklı çıkarmak için yeterince uzun süre kapalıdır.

Adaptif Öğretim Scheduling ve Sorun Mantık

Süperscalar işlemcisi konusu mantık, küçük bir talimat seviyesi paralelliği olduğunda, işlemcinin her döngüyü devre dışı bırakmasını ve bunları her döngüyü işlevsel birimlere göndermelerini sağlamak. Güç için, işlemciler adapte edilebilir büyüklükteki boyuta dayalı olarak çalışan bir sorun pencereye dayanıyor.

Memory Hierarchy Optimizasyonları

hafıza alt sistemi – L1 önbellekleri, L2 önbellekleri ve çeviri arama motoru (TLB) – büyük bir kısmı (toplam 30-40%) toplam işlemci gücü. Superscalar işlemciler, her iki dinamik ve sızıntı gücünü artırmak için çok fazla sınır dışı önbellek gerekir. Anahtar stratejileri:

  • [FONT:0]Yol tahmin ve yol gating:[Dönetici:0) Bir set-kanslı önbellek, tahminci erişim için en muhtemel yolu tanımlar, tahmini yanlışsa, doğru şekilde bir sonraki döngüde, gecikme cezasına çarptırılır.
  • [FONT:0) Direkt önbellekler:[Dönetici:[Dönetici:0)) Daha küçük, düşük seviyeli bir önbellek (örneğin L0 önbellek) veri daha büyük L1 önbellekine erişmek için filtreleyebilir, daha küçük hafızada bulunur.
  • [FONT:0]Non-uniform önbellek mimarisi (NUCA): [Döneticileri içinde, farklı erişim latencies ve güç özellikleri ile açıklanamayan bankalar, en yakın bankada sık sık erişimli verilere izin verir.
  • [FONT:0)Sub-blocking ve tag/data power gating:[Döncükler)[kullanıcılar alt bloklara bölünmüşlerdir; kullanılmamış alt bloklar, yalnızca gerektiğinde veri setlerini belirlemeden önce önce elde edilebilir. Tag dizileri ilk olarak erişilebilir.

Heterojen Bilgisayar ve büyük.LITTLE Mimarileri

Mobil süperscalar işlemciler için en başarılı güç yönetimi stratejilerinden biri, birkaç enerji verimli “LITT” çekirdeği ile (örneğin, Cortex-A55). Büyük çekirdekler zirve performansı için optimize edilmiştir, geniş süperscalar boru hatlarıyla, derin bir şekilde önbellekli yürütme ve büyük önbellekli güçlere sahiptir.

Güç yöneticisi (Fenformer veya özel bir bilgisayar) iş yük özelliklerine dayanan temel türler arasındaki iplikleri taşır. Hafif görevler (örneğin, arka plan senkronizasyonu) gerekli olduğunda, yüksek performans patlamalarını gerçekleştirirken, en son uygulamalar da büyük ve muz çekirdekleri destekleyen “hiper” mimarileri destekler. Küresel görev, tüm işlemcinin gün boyunca düşük zarf içinde çalışabilmesine olanak sağlar.

Dış referans:0)ARM büyük.LITTLE mimarisi).

Yazılım-Level Power Management

Donanım güç yönetimi teknikleri, yazılım kontrolü tarafından tamamlandığında en etkilidir. İşletim sistemi merkezi bir rol oynar:

  • [FONT=0)CPU programcı politikaları:[Dönetici:[Dönetici:0)[değiştir | kaynağı değiştir], Linux CFS enerji-aware scheduling), atama kararları ile ilgili 10-20% ile güç tüketimini azaltmak için kullanılabilir.
  • [FONT:0]Dynamic power management frameworks:) Android'in ihtiyaç duymadığı derin bir boş duruma (güçlü) bir anahtarlama ve donanım monitörüne izin verir.
  • [FONT=0)Compiler optimizasyonlar:[Döneticiler, bir döngünün hesaplama-ya kadar yüksek performans olduğunu gösteren kodlar oluşturabilir ve böylece kodların bir bölümünü azaltır ve kayıt yeniden kullanılabilir ve önbellek kullanır.
  • [FONT:0]Uygulama seviyesi farkındalığı:[[Dönetici:[Dönetici:0) Uygulamalar, performans gereksinimleri hakkında ipucu vermek için OS API'leri kullanabilir. Örneğin, bir video oynatıcı, düzgün oyun gerisi için istikrarlı bir performans seviyesini beklediğine işaret edebilir, güç yöneticisinin jitteresine neden olan agresif frekans değişiklikleri önlemek için izin verebilir.

Future Path in Power Management

Sonraki on yıl, mobil süperscalar işlemcilerde güç yönetimi daha akıllı ve uyarlanabilir hale gelecektir. Anahtar ortaya çıkan trendler şunları içerir:

Makine Öğrenme- Temel Güç kontrolörleri

Geleneksel DVFS valileri sabit eşler ve basit tahminciler kullanır. Makine öğrenme modelleri -özellikle de gerçek mobil iş yükleri için enerji verimliliğinde% 15-30 oranında karmaşık ilişkiyi öğrenir ve iş yük davranışları, hız ve güç durumları arasındaki karmaşık ilişkiyi öğrenir.

Yakın zamanda, yaklaşıkThreshold Computing (NTC)

Transistör eşiğine yakın bir tedarik geriliminde işletim işlemcileri, hem dinamik hem de statik gücü dramatik bir şekilde azaltabilir (10x'a kadar). Ancak NTC, devre hızından muzdarip ve NTC için tasarlanmış yüksek performanslı cepler işlemcileri gösterir. Superscalar işlemciler, zamanlama hatası ve düzeltme için özel devreler kullanmalıdır ve boru hatlarının derinliğini veya sorununu azaltmaya ihtiyaç duyar.

3D Entegrasyon ve Gelişmiş Ambalaj

Güç teslim tabakaları ile birlikte bağlantı uzunluğu ve kapasiteyi azaltabilir, dinamik gücü azaltır. 3D entegrasyonu ayrıca yüklere daha yakın yük yükleme işlemine yük yük yükleyicileri yerleştirerek iyileştirici güç sağlar. Future mobile işlemciler, per-core DVFS'yi minimum parasitik kayıplarla entegre edebilir.

Approximate Computing

Birçok mobil uygulama için (örneğin, görüntü işleme, ses, sensör füzyon), mükemmel doğru hesaplama gerekli değildir. Approximate hesaplama teknikleri - sabit nokta aritik veya fırsat verme hatalarının hassaslığını azaltmak gibi - önemli ölçüde daha düşük güç tüketimine izin verebilir. Superscalar işlemciler, daha düşük gerilimde çalışan veya daha düşük geçiş aktivitelerinde çalışan yaklaşık işlevsel birimleri entegre edebilir, doğru kısıtlamalar gerektiğinde enerji tasarruf sağlar.

Global ve Collaborative Power Management

Mobil cihazlar birden fazla işlemci (CPU, GPU, NPU, DSP), tüm bileşenleri koordine eden bir sistem seviyesindeki güç yöneticisi, "uygun" gibi daha iyi enerji tasarruflarını elde edebilir ve her bir alandan her bir alan için tam olarak görevleri yerine getirir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Superscalar işlemciler mobil hesaplama performansının temel taşı haline geldi, ancak voracious güç iştahı dikkatli bir yönetim talep ediyor -DVFS, güçlendirici, saat gating, adaptif bir sorun mantığı, hafıza hiyerarşisi, heterojen mimariler ve yazılım işbirliği - bilgisayar destekli bir şekilde performans sunmak için akıllı telefonlara izin verdi. Ancak yoldaki tüm hızlar sabit değildir.