Design of Thermal Management Control Policies for Multiprocessors Systems on Chip

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1 Design of Thermal Management Control Policies for Multiprocessors Systems on Chip THÈSE N O 5253 (2011) PRÉSENTÉE LE 19 DÉCEMBRE 2011 À LA FACULTÉ INFORMATIQUE ET COMMUNICATIONS LABORATOIRE DES SYSTÈMES INTÉGRÉS (IC/STI) PROGRAMME DOCTORAL EN INFORMATIQUE, COMMUNICATIONS ET INFORMATION ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Francesco ZANINI acceptée sur proposition du jury: Prof. P. Ienne, président du jury Prof. G. De Micheli, directeur de thèse Prof. D. Atienza Alonso, rapporteur Prof. L. Benini, rapporteur Prof. C. Piguet, rapporteur Suisse 2011

2 Abstract The contribution of this thesis is a thorough study of thermal aware policy design for MPSoCs. The study includes the modelling of their thermal behavior as well as the improvement and the definition of new thermal management and balancing policies. The work is structured on three main specific disciplines. The areas of contributions are: modeling, algorithms and system design. This thesis extends the field of modeling by proposing new techniques to represent the thermal behavior of MPSoCs using a mathematical formalization. Heat transfer and modelling of physical properties of MPSoCs have been extensively studied. Special emphasis is given to the way the system cools down (i.e. micro-cooling, natural heat dissipation etc.) and the heat propagates inside the MPSoC. The second contribution of this work is related to policies, which manage MPSoC working frequencies and micro-cooling pumps to satisfy user requirements in the most effective possible way, while consuming the lowest possible amount of resources. Several families of thermal policies algorithms have been studied and analyzed in this work for both 2D and 3D MPSoCs including liquid cooling technologies. The discipline of system design has also been extended during the development of this thesis. Thermal management policies have been implemented in real emulation platforms and contributions in this area are related to the design and implementation of proposed innovations in real MPSoC platforms. Keywords: Thermal, Management, Model, Predictive control, Temperature, Algorithm, 3D-MPSoC, Optimization, Accuracy. i

3 Riassunto Il contributo di questa tesi e uno studio dettagliato dei sistemi di gestione termica(thermal management) per sistemi a multiprocessore(mpsoc). Lo studio prende in considerazione ogni singolo aspetto della tematica trattata: dalle equazioni matematiche che descrivono il comportamento termico degli MPSoC, agli algoritmi di gestione termica, alle politiche di smistamento del workload. La tesi e multidisciplinare e si sviluppa a partire da tre tematiche principali: modellizzazione, algoritmi e architettura del systema. Questa tesi estende la tematica della modellizzazione proponenedo nuove tecniche utilizzando un formalismo matematico il comportamento termico di un MPSoC. I meccanismi di trasferimento termico interni all MPSoC sono stati studiati in dettaglio. Una speciale attenzione e stata data ai sistemi di raffreddamento(micro-cooling) con liquido refrigerante. Il secondo contributo di questa tesi riguarda le politiche di gestione energetica e termica per quanto riguarda la scelta della frequenza di funzionamento e della velocita della pompa dei sistemi di raffreddamento a liquido. Come obbiettivo, il sistema di gestione dell MPSoC deve rispondere in modo pronto alle richieste dell utente impiegando il minor numero possibile di risorse e con il minor dispendio energetico possibile. In questa tesi mettiamo a confronto alcune famiglie di algoritmi per sistemi di tipo MP- SoC sia planari che utilizzando tecnologie 3D con raffreddamento a liquido. Il terzo contributo riguarda l architettura implementativa dei sistemi di gestione termica degli MPSoC proposti in questa tesi. Questi sistemi sono stati sviluppati su piattaforme di simulazione e le principali innovazioni sono legate alla definizione di tali piattaforme software. Parole chiave: Modellizzazione, Controllo predittivo, Gestione termica, Temperatura, Algoritmi, 3D-MPSoC, Ottimizzazione, Accuratezza. iii

4 Contents Abstract Riassunto Acknowledgements Contents List of Figures i iii v vii xi 1 Introduction Motivation Contributions Modeling Algorithms System design Assumptions and Limitations Thesis Organization Background Modeling Background Dynamic voltage and frequency scaling D-MPSoC and liquid cooling Thermal modelling Thermal sensing Algorithms Background Reactive policies History based policies System Design Background Validation of policies Real-time hardware simulation framework Simulation platform Thermal Models 25 vii

5 viii Contents 3.1 Thermal Modeling State-space heat propagation model First order ODE solvers Second order ODE solvers Multi-step fourth order ODE solver Changing the sampling rate Thermal Simulation Analysis Stability analysis Cell size influence Simulation time step Matrix calculation period Liquid Cooling Straight and bent microchannels Interlayer cooling layer modeling Summary Energy and Workload Models System Energy Energy efficiency quantification Energy bounds Workload Model System architecture Task arrival process Workload model Frequency and power model Workload Prediction Workload arrival process Prediction accuracy Maximum energy concentration based estimator Polynomial least squares workload prediction Summary Policies for Thermal Control with Air Cooling Introduction D-MPSoC case study The Niagara processor Layout Frequency Setting and DVFS Power Consumption Benchmarks and Workload Statistics Policy Classification Comparison of Receding Horizon Algorithms Linear quadratic regulator Explicit/Implicit MPC Approximated explicit predictive policy

6 Contents ix Convex optimization based policies Experimental Results Policies setup Executed workload and working temperature Thermal and frequency variations Summary Policies for Thermal Control with Liquid Cooling Introduction Centralized thermal management Hierarchical thermal management D-MPSoC case study Layout and Technology Specifications Frequency Setting and DVFS Cooling Model Cooling System Power Consumption D-MPSoC Power Consumption Benchmarks Centralized Thermal Management Policy computation Policy setup Experimental results Distributed Hierarchical Thermal Policy Hierarchical structure Run-time interaction: global and local controllers Design and implementation Policy computation: global thermal controller Policy computation: local controllers Policy setup Compared 3D-MPSoC thermal management policies Results Summary Sensor Placement Thermal Profile Estimation Temperature estimation by sensing devices Temperature estimation by observability Full Model Placement Algorithm Methodology Placement results Comparison with state-of-the-art methods Model Order Reduction Placement Algorithm Introduction Model: from structure-centric to energy-centric Identification of relevant states

7 x Contents Balanced state transformation analysis Reduced order model and sensor placement Summary Experimental Framework Global Infrastructure Overview Thermal policy computation MPSoC simulation infrastructure Thermal simulator Thermal policy: Matlab code architecture Optimization algorithm Reduced order thermal model Thermal profile estimator MPSoC emulator: SystemC code architecture Virtual Platform Environment DVFS Support Support for Thermal Management Policies Thermal Simulator Challenges in thermal simulators design Proposed syntax and output types Functional diagram of the simulator Adaptive Thermal Simulation Algorithm Methodology Experimental validation results Summary Conclusions Thesis Summary and Contributions Future Work Bibliography 147 Curriculum Vitae 155

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