Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet 38031 Grenoble...

Groupe CIS"Concurrent Integrated System"

TIMA-CNRS-INPG-UJF

46 Av. Félix Viallet38031 Grenoble Cedex 1

FTFC03

Adaptation dynamique de la puissance des systèmes

embarqués :

Les systèmes asynchrones surclassent les systèmes

synchrones

Mohammed Es Salhiene, Laurent Fesquet et Marc Renaudin


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Plan■ Motivations & contribution

■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.

■ Système asynchrone

■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.

■ Comparaison synchrone - asynchrone

■ Conclusion


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Motivations■ Développement de l'informatique mobile

et le des systèmes portables■ Augmentation du nombre de fonctionnalités

et de puissance de traitement de ces systèmes=>hausse de leur consommation

■ Progrès insuffisant des technologies de batteries ■ Nécessité de minimiser la consommation

d’énergie (autonomie, fiabilité, poids, prix)

SolutionSystème asynchrone + adaptation dynamique de la tension


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Contribution

Nouvelle méthode de réduction de la consommationcombinant des processeurs asynchrones et des algorithmes

d'adaptation dynamique de la tension d'alimentation

■ Exploitation de la capacité des processeurs asynchrones à rester fonctionnels lorsque la tension d’alimentation varie(adaptent leur vitesse de traitement à la tension)

■ Le système d’exploitation adapte dynamiquement la tension d’alimentation, et donc la puissance de calcul du processeur, aux besoins des applications afin de minimiser la consommation.


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■ Comparaison synchrone - asynchrones

■ Conclusion


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Gestion de l'énergie au niveau SE

■ Collaboration entre le matériel, les applications et le système d'exploitation constituant le système

■ Le système d’exploitation gère la consommation d'énergie par:

■ des mises en veille

■ L’adaptation de la tension d'alimentation de tout ou partie du système (exemple le processeur)


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Adaptation dynamique de la tension

■ Le fonctionnement d'un processeur comporte des périodes d'inactivité : consommation inutile de l'énergie

EVARIABLE # C VDDV2 < EFIXE # C VDDF

2

■ Réduire la vitesse du processeur et le mettre en veille pour économiser de l’énergie

ai : activation

ei : échéance

Temps

Vitesse

SMAX

a1 e1 a2 e2

Temps

Vitesse

SMAX

a1 e1 a2 e2

idle idle idle


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■ L’adaptation dynamique de la tension nécessite:■ Un processeur capable d'ajuster à la demande sa tension et sa

fréquence (donc sa vitesse de fonctionnement et sa consommation)

■ Des algorithmes d'adaptation dynamique des paramètres tension et fréquence : prévoient la quantité de traitement à effectuer en se basant sur le fonctionnement passé du processeur et déterminent quelle doit être le couple (fréquence, tension)

Vitesse fixe

Vitesse variable

En

erg

ie

Charge de travail

E # C VDD2


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■ Systèmes asynchrones



■ Conclusion


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Systèmes asynchrones en quelques caractéristiques

■ Absence de l’Horloge■ Horloge globale remplacée par des protocoles Requête/Acquittement

■ Faible consommation■ Mode veille par défaut■ Consommation limitée aux seuls blocs en activité■ Mise en veille et réactivation immédiate des ressources de traitement

Emetteur Recepteur

Requête

Acquitement

Données


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Systèmes asynchrones en quelques caractéristiques

■ Robustesse vis-à-vis des conditions de fonctionnement■ Processeur opérationnel de 17 Mips (0.8V) à 140 Mips (2.5V)

■ Adaptation de la vitesse du traitement par simple variation de la tension d’alimentation (PLL)

■ Faible bruit■ Consommation en courant répartie dans le temps■ Pas de pic de courant

0 100 200 300 400 500 6000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014Courant de consommation moyen de MICA

Temps en ns

(fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 15000)

Am

plitu

de e

n A

Circuit synchrone


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■ Conclusion


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Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension

■ Algorithmes basés sur l'ordonnancement Earliest Deadline First (EDF)

(Peuvent fonctionner avec tout autre politique d'ordonnancement par priorité)

■ Tâches ordonnancées selon leurs échéances et un calcul supplémentaire est effectué pour déterminer la tension et donc la vitesse du processeur nécessaire pour leurs exécutions.

Activation échéance

t tdi

tdi = t + Di

Di

NIi


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Cas des tâches sporadiques

Paramètres: temps courant t et la nouvelle tâche sporadique τi

1. Insérer τi dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF2. Répéter { - Pour chaque tâche l de la file d’attente calculer Sl

- Mettre la vitesse du processeur S à max Sl

- Exécuter à la vitesse S la tâche prioritaire puis la retirer de la file s’elle est finie

} tant que la fille est pleine

ttd

ININ

MAXSl

PjPlljjl

Ql

/

ttd

ININ

Sl

PjPlljjl

l

/NIi: nombre d'instructions de τl restant à exécutertdi : échéance de τiPi : priorité de τi selon la politique EDFEDF: Earliest-Deadline- First


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Tâches NIj DjDate

d'activation

τ1 1 106 2 0

τ2 0.5 106 4 1

τ3 0.2 106 3 2

ttd

ININ

MAXSl

PjPlljjl

Ql

/

0 21

τ1 τ3 τ2

43

Exécution des 3 tâches sporadiques avec adaptation de la vitesse

35%50%

Temps

Vitesse

SMAX

Temps

Vitesse

0 21

SMAX

τ1 τ2 τ3

43

Exécution de 3 tâches sporadiques sans adaptation de la vitesse


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Avec l’adaptation dynamique de la tension :réduction d’un facteur 3 par rapport à la mise en veille

réduction d’un facteur 7 sans la mise en veille

Bilan énergétique

Sans mise en veille PMAX

Avec mise en veille 42% PMAX


14% PMAX


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Cas des tâches périodiques

Paramètres: temps courant t et n tâches périodiques prêtes ordonnancées selon EDF

1. Initialiser la vitesse S

2. Lorsqu’une nouvelle tâche τi est créée 1. Insérer τi dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF2. Réévaluer la vitesse S

3. Lorsqu’une tâche τi est supprimée 1. Réévaluer la vitesse S

NIi: nombre d'instructions de τl restant à exécutertdi : échéance de τiEDF: Earliest-Deadline- First

n

jj

j

DNIS

1

n

jj

j

i

i

ttdIN

DNIS

1

1

1

nn

jj

j

ttdINS


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Cas des tâches périodiques

Tâches NIj Dj = TjDate

d'activation

τ1 0.25 106 2 0

τ2 1 106 5 0

τ3 0.5 106 3 4

Exécution des 3 tâches périodiques avec adaptation de la vitesse

Exécution de 3 tâches périodiques sans adaptation de la vitesse

3.b Exécution des 3 tâches périodiques avec adaptation de la vitesse.

Temps

Vitesse

0 42

SMAX

86

τ2τ1 τ3

0 42 86

33%49%

Temps

Vitesse

SMAX


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■ Comparaison synchrone - asynchrone

■ Conclusion


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Asynchrone vs synchrone : performances

des processeurs synchrones■ StrongARM-1100

■ 59MHz - 0.79V et 251MHz - 1.65V■ Un changement de fréquence prend 140µs■ Un changement de tension prend 40µs■ Mise en veille : 90µs - Réveil : 160 ms

■ lpARM (ARM8 Berkeley)■ 6Mips, 5MHz - 1.2V et 85Mips, 80MHz - 3.8V■ Un changement de fréquence de 5MHz à 80MHz prend environ 70µs■ Veille (idle) : 0.8mW

■ Transmeta Crusoe■ 300MHz - 1.2V à 600 MHZ - 1.6V■ Un changement de fréquence de fmin à fmax prend 300 µs■ pas de 33 MHz, 25 mV


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Asynchrone vs synchrone : mise en veille

(µs)

τ1

τ2

0.16mW

90µs

PMAXPMAX

160ms 90µs

SMAX

S. A

RM

(µs)

τ1

τ2

0.8 mW

70µs

PMAXPMAX

70µs 70µs

SMAX

lpA

RM

(µs)

τ1

50 mW

τ2

50 mW

25µs

PMAXPMAX

10µs 25µs

SMAX

Cru

soe

(µs)

τ1

τ2

AS

PR

O

0 mW

PMAXPMAX

0 mW

Vitesse

SMAX

Temps (µs)

Vitesse

SMAX

τ1

τ2

Activité - PMAX

Veille-0 mW Veille-0 mW

Cas

idéa

l


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Asynchrone vs synchrone : adaptation de la vitesse

Temps (µs)

Vitesse

SMAX

τ1

Cas

idéa

l

τ3

τ2

50%

(µs)

τ1

AS

PR

O

Vitesse

SMAX

50% τ3

τ2

6µs 6µs

(µs)

SMAX

S. A

RM τ1

3.74ms

τ2

166µs

50% τ3

(µs)

τ1

SMAX

lpA

RM

37µs 37µs

τ2

50% τ3

(µs)

τ1

SMAXC

ruso

e

300µs

τ3

τ2

300µs

50%


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■ Conclusion


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Conclusion■ L’adaptation dynamique de la tension permet de réduire

efficacement la consommation d’énergie d’un système embarqué

■ La combinaison « processeur asynchrone – adaptation dynamique de la tension » est d’une mise en œuvre plus aisée que celle avec un processeur synchrone

■ Les algorithmes proposés permettent une réduction d’un facteur de 7 de la consommation d’un système dont l’activité est sporadique

■ L’implémentation matérielle en technologie asynchrone réduit le coût de mise en œuvre de l’adaptation dynamique de la tension

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