Στο συγκεκριμένο βήμα δοκιμάσαμε όπως ζητήθηκε από την εκφώνηση να τρέξουμε το McPAT για τους επεξεργαστές Xeon και Niagara.
Αναζητώντας βιβλιογραφία για το dynamic power συμπεράναμε πως υπάρχουν 3 είδη power dissipation, το dynamic, το static και το short-circuit power. Πιο συγκεκριμένα, προέκυψαν τα παρακάτω σημεία που θεωρούμε πως περιέχουν αναλυτικά την ζητούμενα πληροφορία:
Power Modeling
- Power dissipation of CMOS circuits has three main components: dynamic, short-circuit, and leakage power. Circuits dissipate dynamic power when they charge and discharge the capacitive loads to switch states. Dynamic power is proportional to the total load capacitance, the supply voltage, the voltage swing during switching, the clock frequency, and the activity factor. We calculate the load capacitance of a module by decomposing it into basic circuit blocks, and using analytic models for each block with appropriately sized devices. We calculate the activity factor using access statistics from architectural simulation together with circuit properties. Switching circuits also dissipate short-circuit power due to a momentary short through the pull-up and pull-down devices. We compute the short-circuit power using the equations derived in the work by Nose et al. [32] that predicts trends for short-circuit power. If the ratio of the threshold voltage to the supply voltage shrinks, short-circuit power becomes more significant. It is typically about 10% of the total dynamic power, however it can be as high as 25% of the dynamic power in some cases.
The dynamic power (switching power) dissipated per unit of time by a chip is C·V2·A·f, where C is the capacitance being switched per clock cycle, V is voltage, A is the Activity Factor indicating the average number of switching events undergone by the transistors in the chip (as a unit-less quantity) and f is the switching frequency. Voltage is therefore the main determinant of power usage and heating. The voltage required for stable operation is determined by the frequency at which the circuit is clocked, and can be reduced if the frequency is also reduced. Dynamic power alone does not account for the total power of the chip, however, as there is also static power, which is primarily because of various leakage currents. Due to static power consumption and asymptotic execution time it has been shown that the energy consumption of a piece of software shows convex energy behavior, i.e., there exists an optimal CPU frequency at which energy consumption is minimal. Leakage current has become more and more important as transistor sizes have become smaller and threshold voltage levels lower. A decade ago, dynamic power accounted for approximately two-thirds of the total chip power. The power loss due to leakage currents in contemporary CPUs and SoCs tend to dominate the total power consumption. In the attempt to control the leakage power, high-k metal-gates and power gating have been common methods.
Dynamic power refers to the power dissipated due to voltage and, although it was the main power dissipation in the past, in contemporary CPUs, due to lower voltages and smaller transistors, the leakage current is also a factor in total power.
Όσον αφορά το leakage βρήκαμε πως υπάρχουν δύο μηχανισμοί, το Subthreshold leakage και το Gate leakage. Παρατηρήσαμε επίσης ότι εξαρτάται από πολλές παραμέτρους το leakage και ότι το Subthreshold leakage έχει μεγαλύτερη τιμή από το Gate leakage σε κάθε περίπτωση.
Leakage power consumption is the power consumed by the sub threshold currents and by reverse biased diodes in a CMOS transistor. The leakage power of a CMOS logic gate does not depend on input transition or load capacitance and hence it remains constant for a logic cell.
Dynamic power only cares about the frequency, the voltage and the activity factor, which means that a bigger program does not necessarily translates to bigger power consumption if it does not change the switching events rate (on a per unit of time measurement. Of course in total it will take more time to complete, thus probably bigger power dissipated). At the same time leakage power is constant and does not change, so again, on a per unit measurement, the power dissipated will be the same on both programs!
If we run two different programs on the same processor only the dynamic power may change since only the A may change. The leakage power is constant.
Το παρακάτω McPAT Framework μας βοηθάει στο να αντιληφθούμε περαιτέρω την λειτουργία του McPAT.
Αναζητώντας στην βιβλιογραφία και έπειτα από σκέψη καταλήξαμε πως για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα θα χρειαστεί να γνωρίζουμε πληροφορίες για το sleep mode του κάθε επεξεργαστή. Ουσιαστικά, με σωστή χρήση του sleep mode έχουμε μεγαλύτερη διάρκεια μπαταρίας. Με τα αποτελέσματα που παράγει το McPAT θα μπορούσαμε να δούμε τις τιμές για το total power των δύο επεξεργαστών -με μια απόκλιση βέβαια από την πραγματικότητα- και να αποφανθούμε με επιφύλαξη για την διάρκεια της μπαταρίας. Αυτό βέβαια υπό την προϋπόθεση ότι οι δύο επεξεργαστές έχουν την ίδια λειτουργία για sleep,dream και snore mode. Επομένως ναι εφόσον τα 4 W και τα 40 W αναφέρονται σε peak power τότε προφανώς αυτό δεν σημαίνει ότι ο επεξεργαστής καταναλώνει διαρκώς αυτή την ισχύ. Για να αποφανθούμε θα πρέπει να υπολογίσουμε τη μέση κατανάλωση κάθε επεξεργαστή και αυτό μπορεί να εξαρτηθεί και από την διεργασία που έχει να κάνει.
Το McPAT μπορεί να μας δώσει στοιχεία όπως το Peak power, το total leakage, ωστόσο το runtime dynamic και το total leakage μπορούν να μας δώσουν μία πολύ καλύτερη ιδέα για την μέση ισχύ που καταναλώνει ο επεξεργαστής. Χρείαζεται η χρήση αυτών των δεδομένων μέσω ενός μαθηματικού τύπου για να καταλήξουμε σε ένα συγκρίσιμο αποτέλεσμα ανα μονάδα χρόνου.
There are several factors contributing to the CPU power consumption; they include dynamic power consumption, short-circuit power consumption, and power loss due to transistor leakage currents:
P_{cpu}=P_{dyn}+P_{sc}+P_{leak}}
Μπορεί το Xeon να είναι 40 φορές γρηγορότερο από το A9 αλλά θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν και το leakage που έχουμε σε κάθε περίπτωση. Για τον Xeon έχουμε Total Leakage = 36.8319 W ενώ για τον A9 έχουμε Total Leakage = 0.108687 W που είναι τουλάχιστον 300 φορές μικρότερο από το πρώτο. Αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι δεν είναι πιο energy efficient ο Xeon από τον Α9.
Για το συγκεκριμένο βήμα χρησιμοποιήθηκαν από το προηγούμενο εργαστήριο τα πειράματα που προέκυψαν. Ωστόσο, επειδή στο προηγούμενο εργαστήριο πήραμε περίπου 20 προσομοιώσεις για κάθε benchmark σκεφτήκαμε πως τώρα η καλύτερη λύση είναι να δημιουργήσουμε μερικά scripts και να εργαστούμε με αυτά ευκολότερα. Συνεπώς, τα παρακάτω αποτελέσματα προέκυψνα με χρήση αυτών των Scipts.
a) Πρώτο ερώτημα
Τα αποτελέσματα για τις προσομοιώσεις του κάθε Benchmark που υλοποιηθήκαν από το προηγούμενο εργαστήριο χρησιμοποιήθηκαν για να προκύψουν οι μετρήσεις με το McPAT. Οι τιμές των Core και L2 για το Area, Subthreshold Leakage, Gate Leakage και Runtime Dynamic σε κάθε ένα από τα Benchmarks φαίνονται στα παρακάτω αρχεία:
Έπειτα, με χρήση των print_energy_res.sh και get_energy.sh Sripts καταφέραμε να υπολογίσουμε και να πάρουμε άμεσα την ενέργεια και το EDP όπως φαίνεται στα παρακάτω αρχεία για κάθε περίπτωση:
Το καλύτερο EDP για κάθε Benchmark φαίνεται στην τελευταία στήλη του παρακάτω πίνακα:
| Benchmark Name | l1_dsize (kB) | l1_icache (kB) | l2_size (kB) | l1d_assoc | l1i_assoc | l2_assoc | cacheline_size (kB) | BEST EDP |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| specbzip | 32 | 32 | 2048 | 2 | 2 | 8 | 64 | 23.46504 |
| spechmmer | 32 | 32 | 1024 | 2 | 2 | 8 | 64 | 0.000003 |
| speclibm | 32 | 32 | 1024 | 1 | 1 | 2 | 64 | 0.091957 |
| specmcf | 32 | 32 | 512 | 2 | 2 | 8 | 64 | 13.615531 |
| specsjeng | 32 | 32 | 512 | 2 | 2 | 8 | 64 | 408.829745 |
Παρατηρώντας τον παραπάνω πίνακα προκύπτει ότι μάλλον η καλύτερη λύση για να έχουμε το μικρότερο δυνατό EDP είναι όταν έχουμε τις ακόλουθες τιμές:
- L1 data cache size = 32 kB
- L1 instruction cache size = 32 kB
- L2 cache size = 512 kB
- L1 data cache associativity = 2
- L1 instruction cache associativity = 2
- L2 cache associativity = 8
- cache line size = 64 kB
- https://ieeexplore.ieee.org/document/5375438/authors
- https://www.hpl.hp.com/research/mcpat/micro09.pdf
- https://asic-soc.blogspot.com/2008/03/leakage-power-trends.html#:~:text=Leakage%20power%20consumption%20is%20the,a%20short%20amount%20of%20time.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_frequency_scaling