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5 Bewertung und Validierung
eines Chips, eines Wärmeverteilers oder eines Kühlkörpers große Temperaturdifferenzen vorhanden sein können. Daher darf für diese Komponenten keine einheitliche
Temperatur vorausgesetzt werden. In Abb. 5.24 nehmen wir an, dass der Chip drei
Mikroarchitektur-Komponenten enthält, von denen jede eine thermische Zone definiert.
Der Wärmeverteiler und der Kühlkörper sind je als fünf thermische Zonen modelliert. Eine Zone des Wärmeverteilers befindet sich unter dem Chip, die vier weiteren
Zonen modellieren jeweils eine Randzonen. Sie sind trapezförmig. Gepunktete Linien kennzeichnen Grenzen der Trapeze. Entsprechendes gilt für die fünf Zonen
des Kühlkörpers. Die verdeckten mittleren Zonen sind aus Darstellungsgründen
nicht gezeigt. Ansonsten ist jede Zone in Abb. 5.24 als Knoten in dem äquivalenten
(elektrischen) Netzwerk gezeigt. Die Umgebungstemperatur wird als einheitlich vorausgesetzt. R convection ist der thermische Widerstand zur Umgebung. Er ist mit den
fünf thermischen Zonen des Kühlkörpers verbunden. Die Verbindung zum Wärmeverteiler erfolgt über den Widerstand R hs . Der Wärmeverteiler besteht wiederum aus
fünf Zonen. Davon ist die mittlere über den Widerstand R sp mit dem Chip verbunden.
Die Wärmequellen auf dem Chip selbst sind nicht gezeigt. Für jede der Zonen gibt
es eine thermische Kapazität. Diese modelliert immer die Temperaturdifferenz zur
Umgebung, dementsprechend sind die Kapazitäten im elektrischen Modell mit der
Masse verbunden. Außerdem gibt es für jede der Zonen ein Paar von Widerständen,
die eine thermische Verbindung zu den Nachbarzonen darstellen.
In ihren Experimenten haben Skadron et al. den Wattch-Simulator (siehe Seite
287) als Wärmequelle benutzt. Wattch wiederum kann durch Mikroarchitektursimulatoren wie z.B. SimpleScalar getrieben werden. HotSpot enthält Mechanismen zur
Erzeugung eines Systems aus partiellen Differentialgleichungen für Modelle wie das
in Abb. 5.24 gezeigte. Diese Gleichungen werden anschließend mit Runge-KuttaVerfahren gelöst.
Die Ergebnisse von Skadron et al. bestätigen, dass es notwendig ist, verschiedene thermische Zonen zu betrachten. Der erwartete Einfluss der Leistungsaufnahme
auf die Temperatur wurde quantitativ nachgewiesen. Verschiedene Techniken zur
Reduktion der Leistungsaufnahme hatten allerdings nur einen kleinen Einfluss auf
kritische Temperaturen. Beispielsweise tendieren Registersätze dazu, heiß zu werden. Eine Reduktion der Leistungsaufnahme für Speicherzugriffe hilft in diesem
Zusammenhang wenig und kann sogar einen negativen Einfluss haben.
Beispiel 5.7: Wir betrachten ein MPSoC-System von ST Microelectronics mit 64
P2012 Kernen [506]. Die thermische Modellierung dieses MPSoCs wurde mit dem
3D-ICE-Werkzeug [23] vorgenommen. Die Abbildungen 5.25 und 5.26 zeigen relative Temperaturen für dieses MPSoC-System7. Hohe Temperaturen sind in rot
angezeigt, niedrige in blau. Das MPSoC-System enthält vier Cluster, jedes mit 16
Kernen. Jede Ecke des Layouts enthält ein Cluster. Die 16 Prozessoren sind in der
Mitte der Cluster platziert. Speicher sind unterhalb und oberhalb der Prozessoren an7 Reproduktion dieser Bilder mit freundlicher Genehmigung durch David Atienza (EPFL). Die
Bilder wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen EPFL und ST Microlectronics im Projekt
PRO3D: Programming for Future 3D Architectures with Many Cores gewonnen.
5 Bewertung und Validierung
eines Chips, eines Wärmeverteilers oder eines Kühlkörpers große Temperaturdifferenzen vorhanden sein können. Daher darf für diese Komponenten keine einheitliche
Temperatur vorausgesetzt werden. In Abb. 5.24 nehmen wir an, dass der Chip drei
Mikroarchitektur-Komponenten enthält, von denen jede eine thermische Zone definiert.
Der Wärmeverteiler und der Kühlkörper sind je als fünf thermische Zonen modelliert. Eine Zone des Wärmeverteilers befindet sich unter dem Chip, die vier weiteren
Zonen modellieren jeweils eine Randzonen. Sie sind trapezförmig. Gepunktete Linien kennzeichnen Grenzen der Trapeze. Entsprechendes gilt für die fünf Zonen
des Kühlkörpers. Die verdeckten mittleren Zonen sind aus Darstellungsgründen
nicht gezeigt. Ansonsten ist jede Zone in Abb. 5.24 als Knoten in dem äquivalenten
(elektrischen) Netzwerk gezeigt. Die Umgebungstemperatur wird als einheitlich vorausgesetzt. R convection ist der thermische Widerstand zur Umgebung. Er ist mit den
fünf thermischen Zonen des Kühlkörpers verbunden. Die Verbindung zum Wärmeverteiler erfolgt über den Widerstand R hs . Der Wärmeverteiler besteht wiederum aus
fünf Zonen. Davon ist die mittlere über den Widerstand R sp mit dem Chip verbunden.
Die Wärmequellen auf dem Chip selbst sind nicht gezeigt. Für jede der Zonen gibt
es eine thermische Kapazität. Diese modelliert immer die Temperaturdifferenz zur
Umgebung, dementsprechend sind die Kapazitäten im elektrischen Modell mit der
Masse verbunden. Außerdem gibt es für jede der Zonen ein Paar von Widerständen,
die eine thermische Verbindung zu den Nachbarzonen darstellen.
In ihren Experimenten haben Skadron et al. den Wattch-Simulator (siehe Seite
287) als Wärmequelle benutzt. Wattch wiederum kann durch Mikroarchitektursimulatoren wie z.B. SimpleScalar getrieben werden. HotSpot enthält Mechanismen zur
Erzeugung eines Systems aus partiellen Differentialgleichungen für Modelle wie das
in Abb. 5.24 gezeigte. Diese Gleichungen werden anschließend mit Runge-KuttaVerfahren gelöst.
Die Ergebnisse von Skadron et al. bestätigen, dass es notwendig ist, verschiedene thermische Zonen zu betrachten. Der erwartete Einfluss der Leistungsaufnahme
auf die Temperatur wurde quantitativ nachgewiesen. Verschiedene Techniken zur
Reduktion der Leistungsaufnahme hatten allerdings nur einen kleinen Einfluss auf
kritische Temperaturen. Beispielsweise tendieren Registersätze dazu, heiß zu werden. Eine Reduktion der Leistungsaufnahme für Speicherzugriffe hilft in diesem
Zusammenhang wenig und kann sogar einen negativen Einfluss haben.
Beispiel 5.7: Wir betrachten ein MPSoC-System von ST Microelectronics mit 64
P2012 Kernen [506]. Die thermische Modellierung dieses MPSoCs wurde mit dem
3D-ICE-Werkzeug [23] vorgenommen. Die Abbildungen 5.25 und 5.26 zeigen relative Temperaturen für dieses MPSoC-System7. Hohe Temperaturen sind in rot
angezeigt, niedrige in blau. Das MPSoC-System enthält vier Cluster, jedes mit 16
Kernen. Jede Ecke des Layouts enthält ein Cluster. Die 16 Prozessoren sind in der
Mitte der Cluster platziert. Speicher sind unterhalb und oberhalb der Prozessoren an7 Reproduktion dieser Bilder mit freundlicher Genehmigung durch David Atienza (EPFL). Die
Bilder wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen EPFL und ST Microlectronics im Projekt
PRO3D: Programming for Future 3D Architectures with Many Cores gewonnen.