一种微处理器快速瞬态热分布估计方法技术

本发明专利技术涉及微处理器领域，涉及微处理器热分布估计，具体为一种微处理器快速瞬态热分布估计方法，用以克服现有技术中温度估计计算延迟较大、温度估计误差较大的问题，本发明专利技术提供一种快速高精度的微处理器瞬态热分布估计方法，该方法利用微处理器上的性能计数器估计出微处理器各部件的功耗，通过微处理器紧凑热模型计算出微处理器的热分布，同时结合片上物理热传感器的读数以及微处理器各功能模块的功耗相关性，对热估计进行反馈校正，从而得到微处理器的精确热分布。

Fast transient thermal distribution estimation method for microprocessor

The present invention relates to the field of microprocessor, the microprocessor involves heat distribution estimation, in particular to a method for the estimation of the microprocessor fast transient heat distribution, in order to overcome the large delay calculation and temperature estimation error of temperature estimation in the prior art, the invention provides a method for the estimation of microprocessor speed high precision fast transient thermal distribution, the method of using performance the counter on the microprocessor to estimate Power Microprocessor components by the microprocessor, compact heat model to calculate the heat distribution of the microprocessor, combined with on-chip thermal sensor readings and the function module of microprocessor power consumption correlation, thermal estimation feedback correction and accurate thermal microprocessor distribution are obtained.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微处理器领域，涉及微处理器热分布估计，具体为一种微处理器快速瞬态热分布估计方法。
技术介绍
随着集成度的提高，微处理器的高功率密度导致芯片温度不断提高。过高的温度将给芯片带来晶体管转换速率降低、互连线延迟增加、计算出错率增加、使用寿命降低等多种负面影响。许多动态热管理技术被提出以解决微处理器的高温问题，其中包括动态电压频率缩放技术、任务调度技术、任务迁移技术、时钟门控技术等。这些动态热管理技术大多依赖于片上物理热传感器提供芯片温度监控信息。然而，因为片上物理热传感器数量稀少，且在芯片上的分布并非最优，仅仅使用物理热传感器进行温度监控无法获取芯片的热点温度以及热分布信息。而缺乏整个微处理器的热分布监控信息，则对热管理的有效性有较大的影响。具体来说，物理热传感器仅能获得其所处位置的温度读数，而该位置往往并非芯片乃至该物理传感器周围最高温度所在之处。这将使得相应的动态热管理技术错误判断芯片所处温度情况，进而采取错误的热管理决策，导致芯片可靠性降低。因此，快速而又精确进行微处理器热分布估计，是保证动态热管理技术能够高效地做出准确热管理决策的重点。通过对现有技术文献检索发现，ShervinSharifi和TajanaSimunicRosing在2010年IEEETransactionsonComputer-AidedDesignofIntegratedCircuitsandSystems(IEEE集成电路与系统的计算机辅助设计汇刊)中发表文章《AccurateDirectandIndirectOn-ChipTemperatureSensingforEfficientDynamicThermalManagement》(应用于高效动态热管理的精确直接与间接片上热传感)，该文章提出了在片上物理热传感器数量不足的情况下，使用基于热模型的软件热传感器获取芯片的热分布；该方法首先对微处理器芯片建立热模型，并使用芯片功耗估计作为热模型的输入，计算估计出芯片的温度分布；为了获取更为准确的温度分布估计，该方法使用物理热传感器读数并结合卡尔曼滤波器对温度分布估计进行校正。这种方法主要存在两方面缺陷：第一，由于芯片热模型的规模较大，直接使用该热模型将导致较大的热估计延迟；第二，虽然该方法采用了基于卡尔曼滤波器的热反馈进行温度估计，但是由于未能考虑芯片各模块间的功耗相关性，该方法在远离物理热传感器的位置具有较大的温度估计误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中温度估计计算延迟较大、温度估计误差较大的问题，提出一种快速高精度的微处理器瞬态热分布估计方法，该方法利用微处理器上的性能计数器估计出微处理器各部件的功耗，通过微处理器紧凑热模型计算出微处理器的热分布，同时结合片上物理热传感器的读数以及微处理器各功能模块的功耗相关性，对热估计进行反馈校正，从而得到微处理器的精确热分布。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种微处理器快速瞬态热分布估计方法，包括：步骤1、建立微处理器热模型；步骤2、采用结构保持模型降阶方法对步骤1得到的热模型进行压缩，得到微处理器紧凑热模型；步骤3、通过微处理器功耗估计软件在微处理器架构上仿真运行标准测试程序得到微处理器各功能模块功耗估计；步骤4、通过在微处理器上仿真运行多个测试程序获取微处理器各功能模块功耗误差信息，计算功能模块功耗误差间的相关性矩阵，从而构建微处理器的功耗误差关系矩阵；步骤5、计算瞬态热分布估计：根据步骤2得到的紧凑热模型和步骤3得到的微处理器各功能模块功耗估计，采用欧拉法进行热估计，将该热估计与热传感器测量温度进行比较，当比较差值大于预设阀值时，采用步骤4所得微处理器的功耗误差关系矩阵对功耗估计进行反馈补偿，将补偿后的功耗估计与紧凑热模型再次进行热估计，得到微处理器的热分布估计。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用基于微处理器紧凑热模型的全芯片热估计技术和基于物理热传感器读数反馈的热估计校正技术，能够快速并且精确地估计出微处理器的瞬态热分布。附图说明图1为本专利技术提供微处理器快速瞬态热分布估计方法流程示意图。图2为微处理器芯片架构示意图。图3为本专利技术热估计方法进行功耗估计反馈补偿效果比较图。图4为本专利技术热估计方法进行芯片温度分布估计的效果比较图。具体实施方式本专利技术提供一种微处理器快速瞬态热分布估计方法，利用微处理器上的性能计数器估计出微处理器各部件的功耗，通过微处理器紧凑热模型计算出微处理器的热分布，同时结合片上物理热传感器的读数以及微处理器各功能模块的功耗相关性，对热估计进行反馈校正，从而得到微处理器的精确热分布。为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。本实施例提供一种微处理器瞬态快速热估计方法，如图1所示，具体步骤包括：步骤1、建立芯片热模型；具体而言，在本专利技术实施例中，进一步包括构建微处理器架构，建立芯片的基本热模型，并根据物理热传感器的分布位置对芯片的热模型结构进行调整。本实施例中微处理器的结构如图2所示，图2(a)中显示了双核微处理器的整体架构，图2(b)中则显示了该双核处理器中每个核心内部的具体架构；使用有限差分法建立由以下微分方程组表示的热模型：设定芯片总共有n个热节点，np个功能模块，则C矩阵、G矩阵均为n×n大小的常矩阵，B矩阵为n×nP大小的常矩阵，U(t)为长度为np的功耗输入向量，T(t)则是需要被计算出的长度为n的芯片热节点向量；进一步，根据物理热传感器的分布位置对上述芯片热模型进行行列变换，得到下式：其中，Ts(t)中的芯片热节点均含有物理热传感器，而Tu(t)中的芯片热节点均不含有物理热传感器；步骤2、建立芯片紧凑热模型；具体而言，在本专利技术实施例中，将采用结构保持模型降阶方法对步骤1中建立的芯片热模型进行压缩，得到芯片紧凑热模型；进一步的，我们首先使用普通模型降阶方法计算出大小为n×k(k<<n)的投影矩阵V；获得该投影矩阵的方法主要有两种：一种是基于克雷洛夫子空间(Krylovsubspace)方法，克雷洛夫子空间方法需要指定频域展开点，本实施例在频率0点展开；另一种则是基于采样的方法，采样法则需要指定采样的频率点，本实施例的频率采样点为0和100Hz。将普通模型降阶方法计算出的投影矩阵V转换为结构保持的投影矩阵；按照步骤1得热模型中划分的结构，将投影矩阵V同样划分如下：随后，将该投影矩阵转换为结构保持的投影矩阵Vsp如下：其中，orth表示对V1和V2进行正交归一处理，以提高其数值性能；使用Vsp得到结构保持的紧凑热模型如下：其等效的矩阵形式写为：步骤3、计算芯片的功耗数据；具体而言，在本实施例中，通过微处理器功耗估计软件计算出该芯片运行标准测试程序的功耗；根据如图2所示的微处理器架构，使用基于SimpleScalar软件的功耗估计软件Wattch在该微处理器架构上仿真运行SPEC2000标准测试程序，得到动态功耗和静态功耗的瞬态数据；随后，将该功耗信息映射到芯片各功能模块中，得到芯片各功能模块的瞬态功耗数据；步骤4、构建芯片热节点的功耗误差关系；具体而言，在本实施例中，通过在芯片上仿真运行多个测试程序获取的芯片各功能模块功耗误差信息，计算出功能模块功耗误差间的相关性矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微处理器快速瞬态热分布估计方法，包括：步骤1、建立微处理器热模型；步骤2、采用结构保持模型降阶方法对步骤1得到的热模型进行压缩，得到微处理器紧凑热模型；步骤3、通过微处理器功耗估计软件在微处理器架构上仿真运行标准测试程序得到微处理器各功能模块功耗估计；步骤4、通过在微处理器上仿真运行多个测试程序获取微处理器各功能模块功耗误差信息，计算功能模块功耗误差间的相关性矩阵，从而构建微处理器的功耗误差关系矩阵；步骤5、计算瞬态热分布估计：根据步骤2得到的紧凑热模型和步骤3得到的微处理器各功能模块功耗估计，采用欧拉法进行热估计，将该热估计与热传感器测量温度进行比较，当比较差值大于预设阀值时，采用步骤4所得微处理器的功耗误差关系矩阵对功耗估计进行反馈补偿，将补偿后的功耗估计与紧凑热模型再次进行热估计，得到微处理器的热分布估计。

【技术特征摘要】
1.一种微处理器快速瞬态热分布估计方法，包括：步骤1、建立微处理器热模型；步骤2、采用结构保持模型降阶方法对步骤1得到的热模型进行压缩，得到微处理器紧凑热模型；步骤3、通过微处理器功耗估计软件在微处理器架构上仿真运行标准测试程序得到微处理器各功能模块功耗估计；步骤4、通过在微处理器上仿真运行多个测试程序获取微处理器各功能模块功耗误差信息，计算功能模块功耗误差间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄柯衡，张正鸿，陈云飞，王海，万家春，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51