ISBN 978-3-86853-849-6

978-3-86853-849-6, Reihe Informatik

Björn Sander
Entwurfsraumexploration eingebetteter Multi-Core-Systeme auf Architekturebene unter Berücksichtigung von Performanz, Energie und Zuverlässigkeit

135 Seiten, Dissertation Eberhard-Karls-Universität Tübingen (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Um ein inhärent auf Systemebene vorhandenes Optimierungspotential auszuschöpfen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz zur Generierung schneller Simulationsmodelle für eingebettete Multi-Core-Systeme vorgestellt, mit denen der Einfluss von Entwurfsentscheidungen – z. B. die Anwendung von Low-Power- Mechanismen oder die Auswahl eines Scheduling-Algorithmus – auf die Performanz, den Energieverbrauch und die Zuverlässigkeit des betrachteten Systems untersucht werden kann.

Neben den für die Bestimmung der Leistungsaufnahmen eingesetzten instruktionstypbasierten Leistungsmodellen wurden applikationsunabhängige Leistungsverteilungsmodelle für die Komponenten des betrachteten eingebetteten Prozessors entwickelt, mit deren Hilfe genauere Temperaturabschätzungen auf ESL möglich sind. Da die Temperaturen dabei feingranular aufgelöst werden, eignen sich die Ergebnisse insbesondere für Zuverlässigkeitsuntersuchungen. Eine Modellgenerierung, die Erweiterte Kontrollflussgraphen sowie Komponentencharakterisierungen miteinander verbindet, bildete die Grundlage für eine durch einen Genetischen Algorithmus gesteuerte Entwurfsraumexploration, mit der – ohne Einsatz weiteren Expertenwissens – ein geeigneter Plattformparametersatz bestimmt werden kann.

Die vorgeschlagene Vorgehensweise wurde zur Untersuchung eines Beispielszenarios eingesetzt, in dem eine Dual-Core-Plattform für eine sicherheitskritische Dekodierung von Bild- und Tondaten zu konfigurieren war. Durch die Anwendung einer Zuverlässigkeitsdefinition, die die negativen Auswirkungen von hohen Durchschnittstemperaturen und von Temperaturwechselbeanspruchungen gemeinsam erfasst, konnte das Spannungsfeld zwischen den verschiedenen Entwurfszielen sichtbar gemacht werden. Die beobachtete Simulationsgeschwindigkeit lag hierbei ca. eine Größenordnung über der Kombination aus SimpleScalar und Wattch, die die Leistungsaufnahmen weitaus grobgranularer liefert und zunächst auch auf die Betrachtung von Single-Core-Systemen beschränkt ist. Der Vergleich mit kommerziellen Werkzeugen, z. B. ModelSim und Power Compiler, fällt noch deutlicher aus. Hier beträgt der Unterschied mehrere Größenordnungen.

Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz eignet sich als Ausgangspunkt für weitere Forschungsaktivitäten. So sind z. B. auf niedrigen Entwurfsebenen verschiedene Verfahren zur Untersuchung von Alterungserscheinungen, wie die Veränderung von Pfadlatenzen, vorgeschlagen worden. Diese könnten auf Grundlage von feingranularen, applikationsabhängigen Temperaturinformationen abstrahiert in die Analysen einbezogen werden. Darüber hinaus wäre die Integration von Leistungsmodellen weiterer SoC-Komponenten denkbar. Für die Durchführung von Temperaturberechnungen ist eine konstante Umgebungstemperatur angenommen worden. Um der sich in vielen Anwendungsfällen ändernden äußeren Situation Rechnung zu tragen und damit die Genauigkeit der Ergebnisse weiter zu erhöhen, könnte die vorgeschlagene Vorgehensweise in ein noch umfassenderes Simulationsframework eingebettet werden. Es wäre z. B. möglich, das Mission Profile eines Automobilherstellers zur Ableitung der Umgebungstemperatur eines in einem Fahrzeug eingesetzten Multi-Core-Systems heranzuziehen. Weiterhin könnte eine Portierung des vorgestellten Ansatzes auf eine Computing Cloud vorgenommen werden, um die Möglichkeiten eines gewinnbringenden Einsatzes dieser aufkommenden IT-Infrastrukturen bei der Simulation eingebetteter Systeme zu untersuchen.