JP2012522300A - コンピュータの電源の制御装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、複数の電圧レベルが供給されるコンピュータ(4)を制御するための制御装置であって、コンピュータ(4)に対するロードデータ(Ci)と、期限データ(Ni)と、瞬間速度データ(w)とを受け取るようにされており、期限データ(Ni)から得られる時間でコンピュータがロードデータ(Ci)から得られる計算量を実行することを可能にする基準速度(w_ref)を計算し、且つ、基準速度からコンピュータに対する制御電圧レベル(V_lvl)及び動作周波数(f_op)を計算するコントローラ(2)を備えている制御装置に関する。基準速度(w_ref)及び動作周波数(f_op)の中の少なくとも1つのものは、瞬間速度データ(w)から計算される。

Description

本発明は、コンピュータの電源の制御装置に関する。
電子回路及び関連する部品の領域は、特に急激な成長を経験している分野である。
当初、集積回路は、大きく、程度の差はあるが、プリント基板上にまとめられたチップ又はプロセッサで構成されていた。
小型化の進歩は、様々な部分又はIPを含むマイクロプロセッサの寸法のチップへと発達することを可能にした。
これらの集積回路は、一般にシステムオンチップ又はSoCと呼ばれる。
これらの集積回路は、非常に小さな寸法の中に極めて様々な機能のセットを含むことを可能にしているので、特に興味深い。
また、回路の全ての要素を1つのチップ上に配置することは、システムの消費を低減する。
チップの消費を低減するために、ロード(load,charge)の実行の前に、動作電圧及び周波数を調整するための研究が発達した。しかし、この調整は動的ではなかった。即ち、電圧及び周波数は、所与のタスクの処理中には変わらない。このことは、特に、ロードが不完全に評価されるか、又は、ロードが変化する時には、適していない。
本発明は、この状況を改善することを目的とする。
そのために、本発明は、複数の電圧レベルが供給されるコンピュータを制御するための制御装置であって、上記コンピュータに対するロードデータと、期限データと、瞬間速度データとを受け取るようにされており、上記期限データから得られる時間で上記コンピュータが上記ロードデータから得られる計算量を実行することを可能にする基準速度を計算し、且つ、上記基準速度から上記コンピュータに対する制御電圧レベル及び動作周波数を計算するコントローラを備えている制御装置を提案する。
この装置では、上記基準速度及び上記動作周波数の中の少なくとも1つのものは、上記瞬間速度データ(w)を用いて計算される。
この装置は、コンピュータのエネルギー消費を極限に最適化する一方、コンピュータを用いるオペレーティングシステムによって出される論理の要求に適合する電源コマンドを出すことができるので、特に有利である。
本発明の他の特徴及び長所は、非限定的な説明として提供される実施例及び図面から取り込まれて、下記の説明を読むことで現れるだろう。
図1は、本発明に係る電源の制御装置の一般的視点を示す。 図2は、図1の装置の動作ループの模式図である。 図3は、図1の装置の第1の他の実施形態を示す。 図4は、図1の装置の第2の他の実施形態を示す。 図5は、図1の装置の第3の他の実施形態を示す。 図6は、図1の装置の第4の他の実施形態を示す。 図7は、複数のコアを有するコンピュータの動作に適合した他の実施形態を示す。 図8は、図7の装置の他の実施形態を示す。
下記の図面及び説明は、本質的に、所定の性質の要素を含む。従って、それらは、本発明をより良く理解するのに役立つと共に、該当する場合に、その定義を提供する。
また、詳細な説明は、本発明の内容で用いられる所定の数式に対する形を提供する付録Aによって拡大される。この付録は、分類の目的のために個別に示されており、参照を容易にする。それは、説明の不可欠な部分であり、本発明をより良く理解するのに役立つと共に、該当する場合に、その定義を与える。
本発明は、特にCMOS回路に適用される。これらの回路では、3つの主要なエネルギー消費源が存在する。
回路の電子論理ゲートのスイッチング
短絡電流 及び
リーク電流
そして、所与の回路の瞬間電力は、これらの3つの電力の和として分かり、付録Aの式(10)によって示される。
この式は、回路の供給電圧Vの優勢な役割を示す。従って、消費を低減する1つの解決法は、電圧を下げることである。
しかし、これは、回路の論理ゲートの伝搬遅延を非常に増加する結果をもたらすので、回路によって実行されるタスクの速度を低減することにもなる。
このことは、全ての命令が次のクロックサイクルの前に実行されることを保証するために、所与の命令が回路によって処理されるのにかかり得る最大の時間であるクリティカルタイムの関数として、回路の周波数を低減することが必要であることを意味する。
以前の取り組みでは、エネルギーの節約を得るためのこのタイプの調整の自動的管理はなかった。
図1は、本発明に係る電源を制御する装置2を示す。装置2は、コンピュータ4の電源を制御する。
「コンピュータ」は、データを処理するか又は計算するための論理動作を実行し得る任意の電子システムを意味する。例えば、これは、プロセッサ、マイクロプロセッサ、SoCチップ、FPGAタイプのプログラマブルチップ及びその他を制限することなく含む。
図1に示すように、電源を制御するための装置2は、一方でデータCi及びNiを受け取り、他方でデータwを受け取る。
データCi及びNiそれぞれは、コンピュータ4に対するロードデータ(load data)及びロードデータに対する期限データ(deadline data)である。
データCi及びNiは、上位論理層、例えばコンピュータ4を使用するオペレーティングシステムから、電源を制御するための装置2によって受け取られる。
電源を制御するための装置2によって受け取られるデータNiは、コンピュータ4の動作処理速度を表す。
動作処理速度は、電源を制御するための装置2によって、それが発した命令に関係するドリフトを回避するための反動情報(retroaction information)として用いられる。
コンピュータ4の電圧及び周波数は制御され得る。実際、コンピュータ4は、異なる電圧レベルにおいて動作し得る。それぞれの電圧レベルは可能な動作周波数の対応する範囲を有する。
この電圧レベルV_lvl及び動作周波数f_opは、電源を制御するための装置2の出力である。
(データwがもたらされる)動作処理速度及び動作周波数f_opからもたらされるコンピュータ4によって消費される電力は、コンピュータ4の電源電圧V_lvl(又は電源レベル)と共に、式10で示される。
コンピュータ4は、動作周波数f_opによって制御されるクロックサイクルによって動作する。電源を制御するための装置2は、同様に動作する。
電源を制御するための装置2は、期間Tsによって動作する。それぞれの期間は、2つの連続した制御計算の間の継続時間に対応する。期間Tsは、一般に、コンピュータ4の数個のクロックサイクルと近い。
実際、クロックサイクル毎にコンピュータ4の電源をチェックすることは全く効率的でないだろう。2つの期間の間では、制御装置2は、先行する期間に計算された電圧レベル及び動作周波数命令を出す。
電源を制御するための装置2の期間Tsは、コンピュータ4の関数として選択された固定されたパラメータであり得る。
また、この期間は、動的であり得る。即ち、コンピュータ4の一サイクルの長さの倍数に設定され得る。ここで説明される例では、乗数は10の値を有する。しかし、この値はより高い乗数に設定され得る。
そして、各計算期間において、電源を制御するための装置2は、データCi,Ni及びwを解析して、データf_op及びV_lvlをコンピュータ4へ出力して返す。
ここで説明される例では、電源を制御するための装置2が電源制御データを送るが、電源それ自体ではないことに留意されたい。
電源を制御するための装置2から来る制御データに基づいてコンピュータ4に電力を供給することに関与する回路の部分は、ここでは説明されない。
図2は、電源を制御するための装置2の動作ループを示す。上述したように、電源を制御するための装置2は、計算期間で動作する。
従って、電源を制御するための装置2の動作ループは、用いられるデータCi,Ni及びwを受け取る動作20でスタートする。
次に、動作30において、電源を制御するための装置2は、基準速度w_refを計算する。
所与の期間で実行されなければならない所与の処理ロードに対するコンピュータ4のエネルギー消費を最小にするために、チェックされるべきコンピュータ4の最も重要な動作パラメータが電圧レベルであることを、本出願人によってなされた研究は明かにした。また、この研究は、計算ロードを期限までに終了しないリスクがあるので、電圧を下げ過ぎることは危険であることも明らかにした。
従って、電源を制御するための装置2は、コンピュータ4の電源を動的に制御することを実施して、下記の指示に応じる。
計算ロードを期限の前に終了する、及び、
その計算の間に使用される電圧を最大に最小化にする
そのために、電源を制御するための装置2は、各期間において、データNiによって指定された期限までにデータCiによって指定される計算ロードを終了するためにコンピュータ4が有すべき「平均」処理速度を計算することからスタートする。
次に、平均速度は、基準速度w_refを得る視点のエネルギー消費から最適化される。
ここで、平均速度はデルタと呼ばれる。デルタ速度を計算するために、式20を適用する必要がある。
式20によって示されるように、平均速度は、処理されるべき残っている計算の量、即ちデータCiから取り込まれるロードからすでに処理された計算の量(即ち電源を制御するための装置2の時間間隔によって乗算された受け取られた瞬間速度wの和)を減算し、データNiによって指定された期限の前に残っている時間Liによって除算される。
実際、式20は、要するに、平均速度は、計算されるべきデータの量からすでに計算された量を減算し、その全体のものが残りの時間によって除算されるということである。
式30及び式32は、式20を電源装置2の期間による動作の具体的なケースへの適用を示す。
この平均速度が一度計算されると、電源を制御するための装置2が基準速度w_refを決定するだろう。
基準速度の原理は、所与の電圧レベルに対して最大の周波数で動作させることが、出来るだけ早く電圧レベルを低減するために有利であることを理解することにある。
そして、平均速度デルタが一度計算されると、電源を制御するための装置2は、その速度が先行する期間において決定された電圧レベルの周波数範囲に対応するのかどうかを判断する。
対応する場合には、装置2は、その範囲が最低の電圧レベルに対応するのかどうかについて判断する。
もしそうだとしたら、w_refはデルタを受け取る。もしそうでなければ、w_refはその範囲の最大の周波数を受け取る。
速度デルタが、先行する期間において決定された電圧レベルの周波数範囲に対応しない場合には、電源を制御するための装置2は、平均速度デルタに対応する電圧レベルを決定する。
例えば、これは、平均速度デルタと最大レベルから減少する各電圧レベルの最大速度との連続した比較を通してなし得る。
この場合、適切な電圧レベルは、平均速度デルタが最大速度よりも直下であるが、次の電圧レベルの最大速度よりは大きいものである。
もちろん、平均速度デルタが対応する電圧レベルを決定するために用いられ得る多くの他の方法がある。
電圧レベルが一度決定されると、電源を制御するための装置2は、上述したのと同様に基準速度w_refの値を計算することに進む。
次に、動作40において、電源を制御するための装置2は、基準速度w_refに対応する動作周波数f_opを計算して、それから対応する電圧レベルV_lvlを推定する。
基準速度w_refから動作周波数f_opの計算は、データCiによって指定された計算ロードを実行する可能な高い電圧において、コンピュータ4が最短の時間で動作することを保証する。
図1の実施形態では、電源を制御するための装置2は、式40及び式42に従って、1次のオーダ系を用いて、データwを使用して動作周波数f_opを計算する。
式40は、基準速度w_refと、コンピュータ4によって受け取られた瞬間速度wとの間の「誤差」の計算を示し、式42は、この誤差が次ぎの時間間隔の動作周波数f_opを計算するためにどのように用いられるのかを示す。
Tsは、電源を制御するための装置2の期間を示し、Kはゲイン(gain)を示す。
図3は、電源を制御するための装置2の他の実施形態を示す。
この実施形態では、基準速度w_refの計算が、動作周波数f_op及び電圧レベルV_lvlの計算とは分かれている。
そして、電源を制御するための装置2は、基準速度計算ユニット6及び制御計算ユニット8を備える。
図に現れているように、基準速度計算ユニット6は、データCi,Ni及びwを受け取って、基準速度w_refを返す。
一方、制御計算ユニット8は基準速度w_ref及びデータwを受け取って、出力として動作周波数データf_op及び電圧レベルV_lvlを返す。
ここで説明される例では、コンピュータ4は、Vlo(最小)及びVhi(最高)とそれぞれ呼ばれる2つの電圧レベルで制御される。
ここで、速度w_refを決定する動作30の部分は、平均速度デルタを電圧レベルVloに対する周波数の最大値と比較する。もしデルタが周波数の最大値よりも大きい場合、w_refはレベルVhiの最大周波数の値を受け取り、それ以外は、w_refはデルタを受け取る。
基準速度計算ユニット6及び制御計算ユニット8の両方においてデータwをループさせることは、基準速度w_refを決定するために基準速度計算ユニット6によって用いられるクロックサイクル数が非常に高い時に、より効果的になり得る。
従って、制御計算ユニット8は、最近のデータを用いて、最高のパフォーマンスを達成する動作周波数f_op及び電圧レベルV_lvlを定めることができる。
図4に示す電源の制御装置は、図3の装置の他の形態を表しており、データwは、基準速度計算ユニット6のみによって受け取られて、制御計算ユニット8に送られる。
制御計算ユニット8は、図3の場合よりも少し前のデータwを用いて動作し得るので、この実施形態は、潜在的により低い性能である。しかし、この実施形態は、製造及び使用がより容易であるという利点を有する。
図5に示される電源の制御装置は、図3の制御装置の更に単純な他の形態を示しており、瞬間速度データwは、基準速度計算ユニット6に対してのみ送られており、ここでは、制御計算ユニット8は、基準速度データw_refのみを受け取る。
その場合、動作周波数f_opが値w_refと共に設定されて、電圧レベルV_lvlがその値から直接導かれるので、動作40は、非常に単純化される。
この実施形態は、また少しより信頼性のあるエネルギー性能を提供する。しかし、それは、著しく単純な製造及び実施を許容する。
図6に示す実施形態は、制御計算ユニット8のみが瞬間速度データwを受け取る他の形態である。
その場合、基準速度計算ユニット6は、前に計算していた基準速度データw_refのみを受け取る。
いかなるドリフトも避けるために、制御計算ユニット8によって実行される動作40における動作周波数f_opの計算は、2次のオーダ系の使用によって、より強固になる。
そのために、1次の誤差が、式50を用いて計算され、この誤差は、式52に従って基準速度計算ユニット6の期間に組み込まれる。
そして、動作周波数f_opが式54を用いて決定される。ここで、τは一度ループするシステムの時定数を表し、Kはゲインである。
図7は、複数のコアを有するコンピュータ14を制御するように構成された装置2を示す。これは、説明される実施形態では、コンピュータ14内に、独立して指定され得るコンピュータ4と同様の4つの計算ユニットを有することを意味する。
コンピュータ14は、他の実施形態では、必要なだけの多く、即ち、少なくとも2つ又は4つよりも多く、例えば、32又はそれ以上のコアを有し得る。
これに関連して、より厳しい電源の問題が生じる。実際、コンピュータ14のそれぞれのコアに、それに固有の電圧レベル/周波数の対を供給することは妥当ではない。
従って、コンピュータ14内にあるコアと同じ数だけ単純に基本アーキテクチャを複製することを考えることはできない。
この問題を解決すべき第1のアプローチは、「コンセンサス(consensus)」を構成する電圧レベル及び周波数を探すことである。しかし、これは、クリティカルタスク(critical task)が時間内に実行できないので、受け入れられない。
次に、第2のアプローチは、全てのコアを最大のクリティカルタスクの電圧及び周波数で動作させることである。しかし、これは、エネルギーゲインを破壊する傾向がある。
本出願人は、これら2つの解決法の妥協点を見つけた。
そのためには、リミッタ10が装置2に導入される。リミッタ10の機能は、全てのタスクの内で最大のクリティカルタスクの周波数と、そのコアが一つのコアの場合にそのタスクを実行するために使用する必要のある周波数との間の比を、それぞれのコアに対して計算することである。
それぞれのコンピュータ14では、リミッタ10によって決定された比は、1つのコアの場合に使用されるであろう速度と実質的に対応する速度において各コアがそのタスクを実行するように用いられる。
そのためには、コンピュータ14は、コンピュータ14のノード4からのクロックを一時停止する特定の電子機器を介して物質的なソリューションを組み込み得る。
そして、それぞれのコアは、1つのコアモードにおけるように、しかしより高くなり得る電圧レベル(これはクリティカルタスクに依存する)において動作する。
これらの電子機器(クロックゲーティング:clock−gatingと呼ばれる)は、コンピュータ14の異なるノード4に対するクロックフロントの透過又は非透過を許容して、例えばAND論理ゲートを用いて行われる。
代わりに、電子機器は、ソフトウェアソリューションによって置き換えられ得る。そして、それぞれのコアの周波数を変調するよりもむしろ、それらは選択的に眠らされて、非常にたくさんのサイクルにわたって、それぞれのコアが、1つのコアの場合に使用するであろう速度と実質的に対応する速度において、そのタスクを実行する。
これは、「動作なし(No Op)」と呼ばれる命令をストリームラインに追加することによって行われる。即ち、関係するコアに何もしないことを要求する。
この他の形態は、ソフトウェアなので、よりアップグレードし易いという利点を有する。これは、マイクロプログラムを更新することがソフトウェアソリューションをアップグレードすることを可能にすることを意味する。
しかし、それは、動作周波数を何分かの一かに制限するので不利である。2分の一(各動作に対して1つの動作なし(one No Op))、3分の一(各動作に対して2つの動作なし(one No Op))、4分の一(各動作に対して3つの動作なし(one No Op))。
後者の解決法を洗練して任意の有理数を得る可能性があるが、アーキテクチャを単純化するという点では得るものが減少する。
図7で説明された実施形態では、基準速度計算ユニット6及び制御計算ユニット8は、コアがあるのと同じ数だけ繰り返される。結果として、瞬間速度データは、バイト(byte)w_mであり、基準速度データw_m_refもまたバイト(byte)である。
出力として、制御計算ユニット8は、周波数のバイトf_m及び電圧レベルのバイトV_mを放つ。
リミッタ10は、制御計算ユニット8の出力に配置される。従って、それは、周波数のバイトf_m及び電圧レベルのバイトV_mを受け取る。
まず、リミッタ10は、全ての周波数のバイトf_mを比較して、最大のものを選択する。この周波数は、コンピュータ14に対する命令f_opとして送られて、対応するコアがクリティカルコアと呼ばれる。
次に、リミッタ10は、あらかじめ指定されたクリティカルコアに対応する電圧レベルのバイトV_mを選択する。この電圧レベルは、コンピュータ14に対する命令V_lvlとして送られる。
最後に、リミッタ10は、それぞれの周波数のバイトf_mと周波数f_opとの間の比を含むバイトrat_mを計算する。
ソフトウェアソリューションが選択されてコアの周波数を低減する場合、例えそれがエネルギー的にあまり良くなくても、タスクの完了を確保する比が適用されるべきである。
そして、2よりも大きいが3よりも小さい比が見つけられたならば、1/2の比を選択する必要がある。
更に、異なるブロックの周波数が良く同期されることが重要である。実際、仮想的な命令を加えることによってコアの周波数の低下が得られると、命令は何度も又は非常に遅く更新されてはいけない。
本出願人は、本発明との関連で、1000の近傍のオーダの大きさが有利であることを確認している。
そして、コンピュータに送られるタスクを制御するシステムは、1kHzの近傍の周波数で動作するだろう。本発明の制御装置は、1MHzの近傍の周波数で動作するだろう。そして、コンピュータは、厳密にいえば、1GHzの近傍の周波数で動作するだろう。
しかし、他のオーダの大きさが、例えば、10、100又は1000より大きい数が、タスクを処理するために認められる期限の関数として使用され得る。
上述したことを考慮すると、本発明は、計算を実行する電子システムのための電源制御の実現に関することが理解されるだろう。
説明された実施形態では、この制御は、動的であり且つ1次又は2次のオーダ系を使用することにより適応できる。「1次又は2次のオーダ系」は、制御の計算を実行するシステムの関数が、最高次の単項式が1又は2次である多項式を有するシステムをいう。より高次の系も用いることができる。
また、電源を制御するための装置2は、ここでは、コンピュータ4又は14に対して外部のそれらとは別体の要素として説明されている。このことは、電源制御を計算するために用いられる計算がコンピュータ内で行われないことを意味する。
しかし、所定のアプリケーションでは、電源を制御するための装置2は、コンピュータ内に組み込まれて、この計算の過剰を考慮して制御しながら、電源を制御するための計算の実行が、コンピュータ4又は14によって行われ得る。
更に、本出願人は、コンピュータが複数のレベルで電力が供給され得る電源を制御するための装置を説明した。具体的な一例が、2つの電圧レベルを有する電源に対して説明された。
これらの実施形態では、平均速度デルタに対する適切な電圧レベルを決定するために、電圧レベルの上昇/降下ループが適切な周波数範囲を決定するべく説明された。
電圧レベルあたりの周波数範囲の表を記憶し、その表から適合した電圧レベルを求めるべく表にアクセスすることのような他の方法が使用され得る。
最後に、本出願人は、動作周波数が連続して計算される装置を説明した。とはいえ、上述したことを離散周波数における動作に適用することは可能であろう。
そして、電圧レベルを計算するために説明されたことと同様に、連続した周波数の値の代わりに、周波数レベルを決定することが重要である。この場合、制御装置2は、1つの周波数及び電圧レベルの計算ブロックを含むのみに単純化され得る。即ち、ユニット6及び8が結合され得る。
付録 A
Figure 2012522300

Claims (9)

  1. 複数の電圧レベルが供給されるコンピュータ(4)を制御するための制御装置であって、
    前記コンピュータ(4)に対するロードデータ(Ci)と、期限データ(Ni)と、瞬間速度データ(w)とを受け取るようにされており、前記期限データ(Ni)から得られる時間で前記コンピュータが前記ロードデータ(Ci)から得られる計算量を実行することを可能にする基準速度(w_ref)を計算し、且つ、前記基準速度から前記コンピュータに対する制御電圧レベル(V_lvl)及び動作周波数(f_op)を計算するコントローラ(2)を備えており、
    前記基準速度(w_ref)及び前記動作周波数(f_op)の中の少なくとも1つのものは、前記瞬間速度データ(w)から計算される制御装置。
  2. 前記コントローラは、前記基準速度を計算するための基準速度計算ユニット(6)と、前記動作周波数及び前記制御電圧レベルを計算するための制御計算ユニットと、を有する請求項1に記載の制御装置。
  3. また、リミッタ(10)を備え、
    前記コンピュータ(14)は、複数のコア(4)を備えており、
    前記リミッタ(10)は、最大のクリティカルタスクを有する前記複数のコアの内の一つに対する前記基準速度(w_ref)及び前記コンピュータ(14)の他のコアのタスクを実行するための周波数比のバイトを決定する請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記リミッタ(10)は、前記基準速度計算ユニット(6)と前記制御計算ユニット(8)との間に配置される請求項3に記載の制御装置。
  5. 前記リミッタ(10)は、前記制御計算ユニット(8)の後段に配置される請求項3に記載の制御装置。
  6. 前記制御計算ユニット(8)は、前記瞬間速度データ(w)から前記動作周波数(f_op)を、1次のオーダ系で計算する請求項2〜5の何れか一項に記載の制御装置。
  7. 前記基準速度計算ユニット(6)は、前記瞬間速度データ(w)から前記基準速度(w_ref)を計算する請求項6に記載の制御装置。
  8. 前記基準速度計算ユニット(6)によって、前記瞬間速度データ(w)が前記制御計算ユニット(8)に送られる請求項7に記載の制御装置。
  9. 前記制御計算ユニット(8)は、前記瞬間速度データ(w)から前記動作周波数(f_op)を、2次のオーダ系で計算する請求項2〜5の何れか一項に記載の制御装置。
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