A Framework For Modelling Computational Sprinting With Phase Change Materials

Abstract

Ο όρος Dark Silicon προέρχεται από το γεγονός ότι, καθώς προχωράμε σε μικρότερες κλίμακες κατασκευής ημιαγωγών, όλο και μεγαλύτερο ποσοστό από την επιφάνεια των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων θα παραμένει ανενεργό (dark). Το φαινόμενο αυτό προκύπτει από την αδυναμία προσαρμογής της ισχύος που απαιτείται για κάθε τρανζίστορ, αναλογικά με τη μείωση των διαστάσεων της συσκευής. Έτσι, σε τεχνολογικούς κόμβους της τάξης των micro-μέτρων, μπορούμε να κατασκευάσουμε περισσότερα ημιαγωγικά στοιχεία στον ίδιο χώρο χωρίς να υπάρχει αντίστοιχη μείωση της ισχύος που απαιτείται για τη λειτουργία καθενός από αυτά, με αποτέλεσμα, την αύξηση την πυκνότητας ισχύος στο κύκλωμα. Η αύξηση αυτή, μαζί με άλλους περιορισμούς που επιβάλλουν οι τεχνολογίες συσκευασίας και ψύξης των ολοκληρωμένων, εξαναγκάζει μέρος των κυκλωμάτων να μένει ανενεργό για να εξασφαλιστεί η λειτουργία εντός ορίων μέγιστης κατανάλωσης ισχύος (TDP). Η στροφή προς τις πολυπύρηνες πλατφόρμες ήταν το πρώτο βήμα σε μια προσπάθεια αύξησης της επίδοσης υπολογιστικών συστημάτων, κάνοντας χρήση του μεγαλύτερου αριθμού ημιαγωγών στο ολοκληρωμένο, η οποία οδηγεί σε μικρότερη αύξηση ισχύος από την κατασκευή ενός πιο ισχυρού πυρήνα. Ωστόσο, συστήματα με πολλούς πυρήνες χρειάζονται εργασίες που μπορούν να μοιραστούν ισόποσα στις διαθέσιμες επεξεργαστικές μονάδες για να επιτύχουν μέγιστη απόδοση. Επίσης, η αύξηση του αριθμού των πυρήνων εξακολουθεί να αυξάνει την κατανάλωση ισχύος και επομένως, δεν μπορεί να συνεχιστεί απεριόριστα. Συνεπώς, η έρευνα προσανατολίστηκε προς την ανακάλυψη νέων τρόπων για να χρησιμοποιηθούν τα ανενεργά κομμάτια υλικού ( dark silicon ) με στόχο την αύξηση των επιδόσεων. Μία από τις πιο υποσχόμενες ιδέες σε αυτή την κατεύθυνση είναι το computational sprinting. Η μέθοδος αυτή ενεργοποιεί πολλούς παραπάνω πυρήνες η/και επιταχύνει σε συχνότητα τους ήδη ενεργούς, για να επιτελέσει έντονες υπολογιστικά εργασίες σε χρόνο της τάξης υπό του δευτερολέπτου. Η διαδικασία αυτή ξεπερνάει για σύντομο χρονικό διάστημα τα προβλεπόμενα μέγιστα επίπεδα κατανάλωσης ισχύος και τερματίζεται όταν οι θερμοκρασίες στο ολοκληρωμένο φτάσουν σε κρίσιμες τιμές. Για να αυξηθεί ο διαθέσιμος χρόνος της μεθόδου, χρησιμοποιούνται υλικά αλλαγής φάσης (PCMs), σαν παθητική μέθοδος ψύξης. Η διπλωματική αυτή στοχεύει στον προσδιορισμό των βέλτιστων χαρακτηριστικών και της τοποθέτησης αυτών των υλικών. Για να επιτευχθεί αυτό, κατασκευάστηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης υπολογιστικού συστήματος το οποίο αποτελείται από γνωστά εργαλεία, τροποποιημένα έτσι ώστε να μπορούν να προσεγγίσουν τα φαινόμενα που περιλαμβάνονται στη διερεύνηση με ακρίβεια. Τέλος, παρουσιάζεται μία νέα προσέγγιση όπου χρησιμοποιείται ένα στρώμα από υλικά αλλαγής φάσης με διαφορετικές θερμοκρασίες τήξης, με ενδιαφέροντα αποτελέσματα.