KR20020062986A - 디지털 전력 스로틀을 갖는 마이크로프로세서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 프로세서내의 전력 소비를 조정하기 위한 디지털-기반 메커니즘을 제공한다. 프로세서는 하나 또는 그 이상의 기능 유닛, 및 프로세서의 전력 소비를 추정하기 위해 상기 프로세서의 기능 유닛의 액티비티 상태를 모니터링하는 디지털 스로틀을 포함한다. 디지털 스로틀의 일실시예는 하나 또는 그 이상의 게이트 유닛, 모니터 회로 및 스로틀 회로를 포함한다. 각각의 게이트 유닛은 프로세서의 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어하고, 연관된 기능 유닛의 액티비티 상태를 표시하는 신호를 제공한다. 모니터 회로는 신호로부터 추정된 전력 소비 레벨을 판정하고, 추정된 전력 소비 레벨을 임계 전력 레벨과 비교한다. 스로틀 회로는 추정된 전력 소비 레벨이 임계 전력 레벨을 초과하는 경우, 프로세서내의 명령어 플로우를 조정한다.

Description

디지털 전력 스로틀을 갖는 마이크로프로세서{MICROPROCESSOR WITH DIGITAL POWER THROTTLE}
최근의 프로세서는 다수의 명령어를 동시에 처리하도록 지원하는 광범위한 실행 자원을 포함한다. 프로세서는 통상적으로 정수, 부동 소수점, 분기 및 명령어 로딩/저장을 각각 구현하기 위해, 하나 또는 그 이상의 정수, 부동 소수점, 분기 및 메모리 실행 유닛을 포함한다. 또한, 정수 및 부동 소수점 유닛은 통상적으로 프로세서 코어에 비교적 근접한 데이터를 저장하기 위한 레지스터 파일을 포함한다. 광범위한 실행 자원을 갖는 프로세서를 제공하는 것의 하나의 단점은 그것을 실행하는데 상당한 양의 전력이 요구된다는 점이다. 상이한 실행 유닛들이 그것의 크기와 구현하는 기능에 따라 다소의 전력을 소비하지만, 비교적 작은 프로세서 칩에 많은 로직을 패킹하는 결과는 상당한 전력 소비 문제에 대한 가능성을 발생시키는 것이다.
상당한 간격에 대해 전범위의 프로세서 실행 자원을 필요로 하는 프로그램은 거의 없다. 프로그램 실행에 소비되는 전력은 그것의 구성 명령어의 특성과 병렬로 실행되기 위한 가능성에 의존한다. 프로그램은 통상적으로 여러 가지 명령어 종류를 포함하지만, 올바른 종류의 충분한 명령어가 상당한 시간 주기동안에 프로세서의 실행 자원 모두가 사용중(busy)인 상태가 되도록 이용가능한 경우는 드물다. 이러한 이유 때문에, 대부분의 프로세서는 그것이 사용되지 않을 때에 실행 자원으로 전달되는 클럭을 차단하는 클럭 게이팅 메커니즘(clock gating mechanism)을 채택하여, 이로써 전력을 감소시킨다. 또한, 실행 자원의 상이한 구성요소는 그 구성요소에 의해 서비스되는 파이프 스테이지를 입/퇴장시키는 명령어로서 턴온 및 턴오프될 수 있다. 따라서, 평균의 프로그램은 비교적 관리하기 쉬운 전력 레벨을 소비할 수 있다.
그러나, 일부 프로그램들은 비교적 긴 시간 간격에 대해 많은 프로세서의 실행 자원을 활성화시키고, 이에 따라, 평균의 프로그램보다 상당히 큰 전력을 소비한다. 프로세서의 전력 소비를 제한하기 위한 메커니즘이 제공되지 않는 경우, 프로세서는 일반적으로 최고 전력을 소비하는 프로그램을 처리하도록 설계된다. 이것은, 평균의 프로그램을 실행하는데 필요한 전력에 관계없이, 모든 프로그램에 대해 그것의 최고의 성능 레벨 이하에서 프로세서의 실행을 필요로 할 수 있다.
전력 스로틀링(throttling)은 고성능 프로세서에 의해 생성되는 전력 소비 문제를 처리하도록 제안된 방법이다. 전력 스로틀링은 그것의 전력 소비가 너무 높아지면 프로세서의 성능을 감소시킨다. 이것은, 전력 소비가 안전한 레벨로 감소될때까지 프로세서가 명령어를 실행하는 속도를 일시적으로 감소시킴으로써 수행될 수 있다. 전력 스로틀링은 프로세서가 평균의 프로그램이 실행되는 전력 레벨로 설계될 수 있게 한다. 자원-요구(resource-hungry) 프로그램이 실행되면, 프로세서는 자신의 전력 소비를 소정의 한계치 내에서 유지하도록 명령어 실행 속도를 감소시킨다.
제안된 전력-스로틀링 메커니즘은 프로세서에 의해 소비되는 전력을 모니터링하는데 아날로그 파라미터에 의존한다. 예를 들면, 열 스로틀링 메커니즘은 프로세서 칩의 온도를 모니터링하여, 온도가 임계값을 초과하면 프로세서의 실행 속도를 감소시킨다. 다른 스로틀링 스킴은 프로세서에 의해 소비되는 전류 또는 스위칭 레귤레이터에서의 펄스폭 변조기의 듀티 사이클(duty cycle)을 모니터링하도록 제안하였다.
이들 전력-스로틀링 메커니즘은 많은 단점을 가진다. 이들은 우세한 디지털 환경, 즉 프로세서에 부가적인 아날로그 회로를 도입한다. 또한, 프로세서의 환경(온도, 전압, 구성)에서의 변화에 의해 변경되기 쉽다. 그리고, 프로세서의 전력 레벨에서 낮은 주파수 변화를 생성할 수 있다. 또한, 프로세서에 의해 소비되는 전력을 직접 제한하지 않으며 결정적이지 않다. 즉, 그 동작이 클럭마다 예측될 수 없다.
본 발명은 이용가능한 전력 스로틀링 메커니즘의 이러한 문제들을 해결하기 위한 것이다.
본 발명은 마이크로프로세서에 관한 것으로, 특히, 마이크로프로세서에서의 전력 소비를 제어하기 위한 메커니즘에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이해될 수 있고, 여기서, 동일한 구성요소는 동일한 번호로 나타내었다. 이 도면들은 본 발명의 선택된 실시예를 설명하기 위해 제공되며, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것은 아니다.
도1은 본 발명이 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템의 일실시예를 도시한 블록도.
도2는 본 발명에 따른 디지털 전력 스로틀을 구현한 프로세서의 일실시예를 도시한 블록도.
도3은 도2의 프로세서에 의해 구현되는 디지털 전력 스로틀의 일실시예를 도시한 블록도.
도4는 도3의 스로틀 회로의 일실시예를 도시한 구조도.
도5는 프로세서의 전력 소비를 조정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 도시한 순서도.
도6a 및 도6b는 본 발명에 따른 디지털 스로틀을 구현하는 다수의 실행 코어 프로세서의 실시예들을 도시한 블록도.
발명의 요약
본 발명은 마이크로프로세서의 전력 소비를 제어하기 위한 디지털 스로틀을 제공한다.
본 발명에 따르면, 프로세서는 하나 또는 그 이상의 기능 유닛 및 디지털 스로틀을 포함한다. 디지털 스로틀은 프로세서의 전력 소비를 추정하기 위해 프로세서의 기능 유닛의 액티비티(activity) 상태를 모니터링한다.
본 발명의 일실시예에서, 디지털 스로틀은 하나 또는 그 이상의 게이트 유닛, 모니터 회로 및 스로틀 회로를 포함한다. 각 게이트 유닛은 프로세서의 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어하고, 그와 연관된 기능 유닛의 액티비티 상태를 표시하는 신호를 제공한다. 모니터 회로는 신호들로부터 프로세서에 대해 추정된 전력 소비 레벨을 판정하고, 추정된 전력 소비 레벨을 임계 전력 레벨과 비교한다. 스로틀 회로는, 추정된 전력 소비 레벨이 임계 전력 레벨을 초과하는 경우, 프로세서내의 명령어 플로우를 조정한다.
다음의 설명에서는 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 여러 가지 특정한 세부사항들이 제시된다. 그러나, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 이러한 특정 세부사항없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 여러 가지 주지된 방법, 절차, 구성요소 및 회로들은 본 발명의 특징에 대해 초점을 맞추기 위해 상세히 기술되지 않았다.
본 발명은 명령어 시퀀스에 응답하여 프로세서의 기능 유닛의 액티비티를 모니터링함으로써 프로세서의 전력 소비를 제어하기 위한 메커니즘을 제공한다. 예를 들면, 현재 프로세스에서 명령어에 의해 활성화된 기능 유닛의 액티비티는 대응하는 기능 유닛이 온 또는 오프인지를 나타내는 2진 신호에 의해 나타낼 수 있다. 프로세서에 의해 소비되는 전력의 추정은 현재 "온"상태인 각 기능 유닛에 연관된 전력 가중치(power weight)를 합산함으로써 제공된다. 기능 유닛에 대한 전력 가중치는 그것이 활성화될 때에 기능 유닛이 소비하는 전력의 양을 나타낸다. 추정된 전력이 임계 레벨을 초과하는 경우, 스로틀 메커니즘은 프로세서를 통해 명령어 플로우를 조정하여 기능 유닛의 동작을 감소시킨다.
각 기능 유닛에 대한 전력 가중치는 교정(calibration) 프로세스를 통해 판정될 수 있다. 예를 들면, 디지털 스로틀은 설계 프로세서의 일부로서 교정될 수 있거나 또는 자가-교정(self-calibrating)될 수 있다. 후자의 경우에, 디지털 스로틀은 각 기능 유닛에 대한 전력 가중치를 주기적으로 조정하기 위해 전류 모니터링 회로 및 교정 알고리즘을 채택할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 게이트 유닛은 각 기능 유닛과 제휴하여, 현재 프로세스내의 명령어에 응답하여 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어한다. 파이프라인 제어 회로는 각 게이트 유닛에 자신과 연관된 기능 유닛의 온/오프 상태를 나타낸다. 각 게이트 유닛으로부터의 신호는 모니터 회로에 그것과 연관된 기능 유닛에 대한 온/오프 상태를 표시한다. 모니터 회로는 표시된 상태에 따라 프로세서의 현재 전력 소비의 추정에 대응하는 전력 가중치를 포함하거나 또는 무시한다. 대안적으로, 각 게이트 유닛 신호는, 기능 유닛이 "온" 상태일 때에 연관된 기능 유닛의 전력 가중치를 모니터 회로에 전달할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 추정된 전력에서 고려될 수 있는 전력 가중치를 표시하기 위해 다른 메커니즘을 채택할 수 있다.
모니터 회로는 액티브 기능 유닛에 대한 전력 가중치를 합산하고, 그것을 임계값과 비교하여 클럭별 프로세서의 전력 소비의 추정치를 제공한다. 디지털 스로틀의 일실시예에 있어서, 이들 추정치는 다수의 클럭 사이클에 걸쳐 누산되어, 프로세서의 전력 소비에서의 클럭별 변동을 고르게 하는 누산 전력값을 제공한다. 스로틀 회로는, 명령어가 누산 전력값에 따라 처리되는 속도를 조정한다. 예를 들면, 스로틀 회로는 프로세서의 명령어 실행 파이프라인에 "버블"을 삽입하여 성능을 감소시키거나, 또는 프로세서 클럭이 동작하는 주파수를 감소시킬 수 있다.
따라서, 제시된 메커니즘은 전력 소비를 추정하는데 프로세서 로직에서의 디지털 이벤트(액티비티 상태)에 의존하고, 명령어가 처리되는 속도를 통해 직접 이들 이벤트의 속도를 조정한다. 이것은 프로세서의 전력 소비를 제어하기 위한 빠르고 직접적이며 결정적인 메커니즘을 제공하고, 프로세서에 아날로그 회로의 도입없이 이것을 수행한다.
도1은 본 발명이 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템(100)의 일실시예를 도시한 블록도이다. 컴퓨터 시스템(100)은 하나 또는 그 이상의 프로세서(110), 메인 메모리(140), 비휘발성 메모리(150), 여러 주변 장치(160) 및 시스템 로직(170)을 포함한다. 시스템 로직(170)은 프로세서(110), 메인 메모리(140), 비휘발성 메모리(150) 및 주변 장치(160)들 사이의 데이터 전송을 제어한다. 컴퓨터 시스템(100)은 본 발명의 여러 특징들을 설명하기 위해 제공된다. 도시된 특정 구성이 본 발명을 구현하는데 반드시 필요한 것은 아니다.
프로세서(110)는 명령어 실행 파이프라인(120)을 형성하는 다수의 기능 유닛(124)을 포함한다. 명령어는 메인 메모리(140) 및 비휘발성 메모리(150)로부터 프로세서(110)로 제공된다. 디지털 스로틀(130)은 처리된 명령어에 응답하여 여러 기능 유닛(124)에서의 전력 소비를 모니터링하고, 이에 따라 파이프라인(120)을 통해 명령어의 플로우를 조정한다.
명령어가 파이프라인(120)으로 진행함에 따라, 명령어를 구현하는 하나 또는 그 이상의 동작을 수행하기 위해 여러 기능 유닛(124)을 관리한다. 예를 들면, 부동-소수점 곱셈-누산 명령어(FMAC)는 표시된 자원에서 다음의 동작들이 발생하도록 야기할 수 있다: 부동 소수점 레지스터 파일이 3개의 오퍼랜드를 판독한다; FMAC 실행 유닛이 오퍼랜드 중 2개를 곱하고, 그 곱을 제3 오퍼랜드에 더한다; 예외 유닛은 그 곱과 합에 에러를 체크한다; 회수 유닛은 에러가 검출되지 않은 경우 부동 소수점 레지스터 파일에 그 결과를 기록한다.
특정한 프로세서 구현예에 따라, 이들 자원 또는 구성요소들은, 명령어가 파이프라인으로 진행함에 따라 턴온 및 턴오프되는 하나 또는 그 이상의 기능 유닛으로 그룹화될 수 있다. 각 기능 유닛은, 그것이 명령어에 의해 활성화됨에 따라, 임의의 양의 전력을 소비한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 기능 유닛(124)에 의해 소비되는 전력은 연관된 전력 가중치로 나타난다. 기능 유닛이 명령어에 의해 활성화되면, 디지털 스로틀(130)은 그것의 액티비티 상태를 검출하고, 그와 연관된 전력 가중치를 프로세서의 총 전력 소비 추정치에 가산한다. 디지털 스로틀(130)은 선택된 간격을 통해 이동작들을 구현하고, 현재 실행중인 명령어 시퀀스에 의해 소비되는 전력의 추정치를 생성하고, 추정된 전력 소비량이 특정 임계 레벨을 초과하는 경우, 파이프라인(120)을 통해 명령어 플로우를 조정한다.
도2는 프로세서(110)의 일실시예를 보다 상세히 나타낸다. 프로세서(11)의 제시된 실시예에 대해, 파이프라인(120)은 인출(FET), 확장(EXP), 레지스터(REG), 실행(EXE), 검출(DET) 및 회수(RET) 스테이지로 각각 나타나고, 각 스테이지에 대응하는 실행 자원이 나타나 있다. 본 발명은 프로세서(110)를 특정 세트의 파이프라인 스테이지로 반드시 분할할 필요는 없다. 예를 들면, 제시된 스테이지는 2개 또는 그 이상의 스테이지로 세부 분할되어, 타이밍 발행을 취하거나 보다 높은 프로세서 클럭 속도를 도모할 수 있다. 대안적으로, 2개 또는 그 이상의 스테이지가 하나의 단계로 결합될 수 있다. 다른 실시예는 비순차적(out-of-order) 명령어 처리를 위한 하드웨어를 포함할 수 있다. 제시된 파이프라인은 본 발명을 구현하는 프로세서에서 동작들이 어떻게 분할될 수 있는지의 일례를 제공한 것이다.
파이프라인(120)의 프런트 엔드는 인출 유닛(210), 발행 유닛(220)을 포함하는데, 이것은 실행을 위패 파이프라인(120)의 백 엔드내의 실행 유닛에 명령어를 제공한다. 인출 유닛(210)은 메모리(140)로부터 직접 또는 로컬 캐시(미도시)를 통해 명령어를 검색하고, 인출된 명령어를 발행 유닛(220)에 제공한다. 발행 유닛(220)은 명령어를 디코딩하고, 이것을 파이프라인(120)의 백 엔드내의 실행 유닛에 발행한다.
이 논의를 통하여, 용어 "명령어"는 일반적으로 명령어, 마크로-명령어, 명령어 묶음(bundles) 또는 프로세서 동작을 인코딩하는데 사용되는 많은 다른 메커니즘을 말하는데 사용된다. 예를 들면, 디코딩 동작은 마크로-명령어를 하나 또는 그 이상의 마이크로-명령어(μops)로 변환하거나, 명령어 묶음을 하나 또는 그 이상의 명령어 마디(syllables)로 분해하거나, 또는 명령어에 연관된 마이크로-코드 시퀀스를 검색할 수 있다.
파이프라인(120)의 백 엔드는 레지스터 유닛(230), 실행 유닛(250), 예외 유닛(160) 및 회수 유닛(270)을 포함한다. 레지스터 유닛(230)은 각각 명령어내에 특정된 레지스터를 식별하고, 식별된 레지스터로부터 데이터를 액세스하기 위한 레지스터 리네임 유닛 및 여러 레지스터 파일(미도시)을 포함한다. 실행 유닛(250)은 분기, 정수, 로딩/저장 및 부동 소수점 명령어를 처리하기 위한 하나 또는 그 이상의 분기 실행 유닛(BRU)(252), 정수 실행 유닛(IEU)(254), 로딩/저장 유닛(LSU)(256) 및 부동 소수점 실행 유닛(FPU)(258)을 포함한다. 예외 유닛(260)은 실행 유닛(250)에 의해 생성된 결과를 체크하고, 예외적인 조건에 직면한 경우, 제어 플로우를 조정한다. 예외적인 조건이 검출되지 않은 경우에는, 회수 유닛(270)이 그 결과를 이용하여 프로세서(110)의 구조적 상태를 갱신한다.
상이한 명령어에 의해 활성화된 기능 유닛은 파이프라인(120)에 대해 나타난 실행 자원의 서브세트 및 다양한 조합에 대응한다. 디지털 스로틀(130)은 이들 기능 유닛에 대한 액티비티 상태를 모니터링하고, 이에 따라, 명령어가 파이프라인(120)을 통해 처리되는 속도를 조정한다. 예를 들면, 하나의 기능 유닛은 부동-소수점 레지스터(레지스터 유닛 230)를 포함할 수 있고, FPU(258)는 2개또는 그 이상의 기능 유닛내에 구성요소를 가질 수 있다. 대체로, 기능 유닛은 함께 활성화되고 비활성화되는 여러 가지 실행 자원(레지스터 파일, 실행 유닛, 추적 로직)을 포함한다. 본 발명은 도2에 도시된 실행 자원과 기능 유닛 사이의 상세한 매핑에 의존하지 않는다.
도3은 디지털 스로틀(130) 및 파이프라인(120)의 기능 유닛(124)과의 상호동작의 일실시예를 도시한 블록도이다. 제시된 디지털 스로틀(130)의 실시예는 게이트 유닛(310(1)-310(n))(포괄적으로, 게이트 유닛(130)), 모니터 회로(320) 및 스로틀 회로(330)를 포함한다. 각 게이트 유닛(310)은 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어하기 위해 파이프라인(120)내의 기능 유닛(124)과 연결된다. 예를 들면, 게이트 유닛(310)은 기능 유닛이 동작하는 현재의 파이프 스테이지에서 명령어를 구현하기 위해 기능 유닛(124)의 서비스가 필요한지의 여부에 따라, 클럭 신호를 기능 유닛(124)에 연결 또는 연결해제하는 클럭 게이팅 회로일 수 있다. 또한, 도3에 도시된 파이프라인 제어 회로(350)는 기능 유닛이 현재의 실행 명령어에 대해 액티브라는 것을 게이트 유닛(310)에 표시한다.
제시된 디지털 스로틀(130)의 실시예에 있어서, 각 게이트 유닛(130)은 전력이 기능 유닛(124)에 전달중이라는 것을 표시하기 위해 모니터 회로(320)로 신호를 제공한다. 예를 들면, 신호는 기능 유닛(124)이 턴온되면 표명되는 기능 유닛(124)의 액티비티 상태일 수 있다. 신호가 표명되면, 즉, 게이트 유닛(130)이 기능 유닛(124)에 전력을 제공하면, 기능 유닛에 대한 전력 가중치는 프로세서(110)에 대해 추정된 전력 소비량에 더해진다. 신호가 표명되지 않으면, 즉, 게이트유닛(130)이 기능 유닛(124)으로의 전력을 차단하면, 연관된 전력 가중치는 추정된 전력 소비량에 더해지지 않는다. 전형적인 프로세서는 10-20개의 기능 유닛(124)으로의 전력 전달을 제어하기 위해 10-20개의 게이트 유닛(310)을 포함할 수 있다.
모니터 회로(320)는 게이트 유닛(130)으로부터 신호를 수집하고, 그 수집된 신호로부터 프로세서(110)에 대한 현재 추정된 전력 소비 레벨을 판단한다. 제시된 디지털 스로틀(130)의 실시예에 있어서, 모니터 회로(320)는 가중(weight) 유닛(314(1)-314(n))(포괄적으로, 가중 유닛(314)), 가산기(324), 포화 회로(326) 및 누산기(328)를 포함한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 각 가중 유닛(314)은 대응하는 게이트 유닛(310)을 통해 기능 유닛(124) 중 하나와 연결된다. 가중 유닛(314)은, 게이트 유닛(310)으로부터 액티비티 상태 신호가 표명되면, 전력 레벨을 가산기(324)에 제공한다. 액티비티 상태 신호가 표명되지 않으면, 가중 유닛(314)은 0을 출력한다.
가산기(324)는 가중 유닛(134)에 의해 지시된 전력 가중치를 합산하고, 그 합으로부터 임계 레벨을 감산한다. 가산기(324)의 출력은 포화 회로(326)를 통해 누산기(328)로 전달된다. 포화 회로(326)는, 가산기(324)에 의해 전달된 값이 넘치는 경우에 순환(wraparound)을 방지하도록 포함된다. 누산기(328)는 전달된 값을 스로틀 회로(330)에 제공하고, 또한, 프로세서의 후속 액티비티 상태에 따라 갱신되도록 카피를 가산기(324)로 다시 제공한다.
선택된 간격으로, 누산기(328)의 컨텐츠("누산된 전력")가 스로틀 회로(330)에 제공된다. 스로틀 회로(330)의 일실시예는, 누산된 전력이 양의 값, 즉, 특정한간격에 걸쳐 누산된 전력 소비 추정치가 임계 전력 레벨을 초과하는 경우, 파이프라인(120)을 통해 명령어의 플로우를 감소시킨다. 스로틀 회로(330)는 파이프라인(120)의 백 엔드에 제공된 명령어 스트림으로 "버블"을 삽입하도록 인출 유닛(210)에 신호한다. 사실상, 스로틀 회로(330)는 특정 간격 동안에 추정된 전력 소비 레벨이 임계 레벨을 초과할 때에 프로세서의 듀티 사이클을 조정한다.
표1은 특정 간격이 128 클럭 사이클인 경우에 대한 듀티 사이클 조정 세트를 도시하고 있다.
표1에 도시된 실시예에 있어서, 전력 가중치는, 활성화되었을 때에 기능 유닛에 의해 소비된 전력에 비례하는 8-16 비트 고정-소수점 수일 수 있다. X의 상위 8비트는 프로세서 클럭의 듀티 사이클을 조정하는데 사용될 수 있다. 이들 비트는 스로틀 회로(330)에 의해 지시된 명령어 플로우 변화를 감소시켜, 보다 천천히 변화한다. 샘플링 간격이 128 클럭 사이클인 상기의 예에 대하여, 디지털스로틀(130)은 128 레벨의 스로틀링을 제공한다. 이 레벨들은 추정된 전력 소비량이 임계 전력 소비량을 초과하는 양에 비례하는 미세-동조된(fine-tuned) 스로틀 제어를 제공한다. 바람직하게는, 스로틀 회로(350)는 샘플링 간격을 통해 추정된 전력 소비량에 의해 지시된 온/오프 주기를 분배한다. 이 분배는 일정하거나, 임의적이거나, 일부 다른 패턴에 의해 제어될 수 있다. 이러한 하나의 분배의 예가 아래에 보다 상세히 논의된다.
도4는 스로틀 회로(330)의 일실시예를 도시한 구조도이다. 제시된 스로틀 회로(330)의 실시예는 메모리 장치(410), 제어 유닛(420) 및 카운터(430)를 포함한다. 누산된 전력이 저장되는 누산기(338)의 레지스터가 역시 도시되어 있다. 메모리 장치(410)는, 예를 들면, ROM(read only memory)일 수 있고, 그것의 엔트리는 카운터(420)로부터의 타이밍 지시 및 누산기(328)로부터의 누산된 전력 레벨에 응답하여 제어 유닛(420)을 통해 액세스된다.
제시된 스로틀 회로(330)의 실시예에 있어서, 카운터(430)는 모듈로-128 카운터이다. 카운터(430)의 출력은 제어 유닛(420)내의 칼럼 인덱스를 연속된 클럭 사이클에 대해 0-127로 증가시키고, 127에 도달하면 다시 0으로 된다. 유사하게, 누산기(328)의 출력은 제어 유닛(420)의 로우 인덱스를 누산된 전력의 현재값에 따라 조정한다. 제시된 실시예에서, 로우 인덱스는 X <= 0, 72 및 124일 때에 각각 0, 71 및 123이다. 제어 유닛(420)은 메모리 장치(410)로부터 대응하는 엔트리를 판독하기 위해 이 인덱스를 이용한다. 엔트리의 값은 버블이 프로세서(110)의 명령어 실행 파이프라인에 삽입되어야 하는지의 여부를 나타낸다. 예를 들면, 출력이 0인 경우, 버블이 삽입되고, 출력이 1이면 버블이 삽입되지 않는다.
메모리 장치(410)의 일실시예에 있어서, 각 로우는 로우에 매핑된 X값과 0의 수를 스케일링함으로써, 상이한 수의 1과 0으로 나타난다. 예를 들면, 로우_0은 모두 1을 포함하여, 누산된 전력 레벨(X)이 0을 초과하지 않을 때에, 즉, 실행중인 전력 추정치가 임계 레벨을 초과하지 않을 때에, 명령어 실행 파이프라인에 버블이 삽입되지 않는다. 전력 스펙트럼의 다른 측에서, 로우_127은 1을 포함되지 않아서, 누산된 전력 레벨이 특정한 양을 초과하는 한, 각 클럭 사이클에 대해 명령어 실행 파이프라인에 버블이 삽입된다. 제시된 예에 있어서, 이 양은 포화 회로(328)에 의해 127, 즉 X=>127로 결정된다. 로우_0과 로우_127 사이의 로우들은 X의 값에 비례하여 0이 포함될 수 있다. 예를 들면, 로우_67은 상이한 칼럼에 분배된 68개의 0을 포함하고, 로우_111은 그 칼럼에 교차하여 분배된 112개의 0을 포함하며, 로우_17은 그 칼럼에 교차하여 분배된 18개의 0을 포함한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 0은 임의의 방식으로 지명된 로우의 칼럼에 교차하여 분배될 수 있다.
제시된 디지털 스로틀(130)의 실시예는 피드백 루프를 포함한다. 스로틀링의 양은 기능 유닛의 액티비티 상태에 의존하여, 이것은 다음에 스로틀링의 양에 의해 영향받는다. 누산기(328)는, 이 피드백 루프에 90도 늦은 위상 시프트를 도입하는, 시간에 걸쳐 통합을 수행한다. 안정화를 위해, 피드백 루프내의 다른 지연, 즉, 위상 시프트를 최소화하는 것이 중요하다. 디지털 피드백 루프에 대한 안정성 기준은 명령어 실행 파이프라인(파이프라인 간격)을 통과하는데 필요한 클럭 사이클 수에 대응하는 간격 동안에 얼마나 많은 프로세서의 전력 소비가 조정되는지에 의존할수 있다. 예를 들면, 전력 가중치는 파이프라인 간격 동안에 전력 소비량에서 비교적 적은 변화를 보장하도록 선택되어야 한다.
디지털 스로틀(130)의 응답 시간은 피드백 루프에 의해 제어된다. 디지털 스로틀은 로직내의 이산 신호보다는 프로세서의 구성요소의 집합적인 동작에 의해 결정되는 거시적인 현상(온도, 전류)에 응답하여 동작하기 때문에, 그것의 응답 시간은 마이크로초 정도이다. 스로틀 메커니즘에 기반한 열에 대한 응답 시간은 수초 정도이다. 디지털 스로틀(130)은 이 응답 시간보다 짧은 기간에서의 전력 소비량의 피크를 제어할 수 없다. 예로, 삽입된 버블에 의해 표현된 성능 손실을 최소화하기 위해, 디지털 스로틀(130)은 전력 전달 시스템에 의해 허용되는 한 느리게 응답한다. 이것은 전력 전달 시스템이, 응답 시간보다 짧은 간격 동안에 임계 레벨 이상인 프로세서의 전력 소비량에서의 피크를 조정할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 이 피크에 대하여, 프로세서의 전력 공급 커패시터로부터 에너지가 제공될 수 있다.
프로세서의 전력 소비 이상을 가지는 점점 큰 정도를 제어할수록 디지털 스로틀(130)은 보다 효과적일 것이다. 프로세서(130)가 프로세서의 기능 유닛의 큰 부분을 커버하는 게이팅 메커니즘을 구현하는 경우에 디지털 스로틀(130)이 가장 효과적이다. 광범위한 게이팅 제어는 디지털 스로틀(130)이 임계 레벨이 초과될 때에 빠르고 현저히 전력 소비 레벨을 조정할 수 있다는 의미이다. 유사하게, 기능 유닛을 통해 보다 미세한 제어를 제공하는 것은 디지털 스로틀(130)의 효과를 증가시킨다. 예를 들면, 프로세서의 실행 장원을 보다 많은 수의 기능 유닛(124)으로분할하는 것과, 이 기능 유닛을 제어하기 위해 추가적인 게이팅 유닛을 제공하는 것은 스로틀(130)에 프로세서의 전력 소비 이상의 보다 큰 제어를 제공한다.
도5는 본 발명에 따른 프로세서에서 전력을 스로틀링하기 위한 방법(500)을 도시한 순서도이다. 방법(500)은 먼저 프로세서내의 어떤 기능 유닛이 액티브인지를 판단한다. 기능 유닛의 상태(액티브/인액티브)는, 예를 들면, 전력을 기능 유닛으로 제공하는 클럭 게이팅 회로로부터의 신호에 의해 나타낼 수 있다. 예를 들면, 게이팅 회로는 전력이 기능 유닛으로 제공되는 경우(액티브 상태)에는 신호를 표명하고, 현재 전력이 기능 유닛에 제공되지 않는 경우(인액티브 상태)에는 신호를 표명하지 않을 수 있다.
액티브 기능 유닛이 판단되고 나면(510), 프로세서에 대한 전력 레벨이 추정된다(520). 이것은 각 게이팅 유닛에 의해 제공된 신호와 전력 가중치를 연관시켜, 표명된 각 신호에 연관된 전력 가중치에 의해 추정된 전력 레벨을 증가시킴으로써 수행될 수 있다. 표명해제된 신호와 연관된 가중 전력은 현재 추정된 전력 레벨에 제공되지 않는다.
현재 추정된 전력 레벨이 임계 전력 레벨과 비교된다(530). 임계 전력 레벨은, 예를 들면, 프로세서가 연장된 시간 주기 동안에 동작되지 않아야 하는 것 이상의 전력 레벨을 나타낼 수 있다. 일실시예에 있어서, 임계 레벨은 현재 추정된 전력 레벨로부터 감산되고, 그 결과가 프로세서의 상대적인 전력 레벨의 실행 추정치, 즉, 누산된 전력에 가산된다. 누산된 전력이 양의 값인 경우(추정 전력 레벨>임계 레벨), 명령어 처리속도가 조정된다(540). 누산된 전력이 음의 값인 경우(추정 전력 레벨< 임계 레벨), 명령어 처리속도에 대한 조정이 이루어지지 않는다.
프로세서의 명령어 처리속도는 많은 메커니즘을 통해 감소될 수 있다. 방법(500)의 일실시예에 있어서, 프로세서의 기능 유닛이 액티브인 동안의 클럭 사이클의 비율을 감소시키기 위해, 버블이 명령어 실행 파이프라인에 삽입될 수 있다. 버블은, 예를 들면, 프로세서의 선택된 사이클에 대해서만 명령어를 발행하기 위해 발행 유닛을 트리거링함으로써 도입될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 프로세서 클럭이 동작하는 주파수가 감소될 수 있다.
본 발명의 하나의 장점은 프로세서 파이프라인의 실행 자원이 파이프라인의 기능 유닛에서의 액티비티의 레벨에 따라 조정된다는 것이다. 전력 소비를 추정하기 위한 열 또는 전류 기반의 기술과는 달리, 디지털 스로틀에 의해 모니터링되는 기능 유닛의 액티비티는 프로세서내의 개별적인 파이프라인의 특성이다. 특정한 유닛에 대한 전력 소비량 및 액티비티 부여시의 특이성은 단일 프로세서 칩상에 다수의 실행 코어를 구현하는 프로세서에서 특히 유용하다. 여기서, "실행 코어"는 완전한 프로세서에 연관된 실행 자원을 말하며, 다중-실행 코어 프로세서는 단일 칩상에서 다수의 프로세서를 효과적으로 구현한다. 본 발명의 디지털 스로틀은, 총 전력 소비 레벨이 임계 레벨을 초과하지 않는 한, 전력-요구 코드 세그먼트를 처리하는 실행 코어가 다른 실행 코어로부터 전력을 효과적으로 차용하도록 할 수 있다. 대안적으로, 각 실행 코어가 명령어 실행 파이프라인에서의 액티비티에 따라 스로틀링될 수 있다.
도6a는 본 발명이 구현된 다수의 실행 코어 프로세서(610)의 일실시예를 도시한 블록도이다. 프로세서(610)는 실행 코어(620(a)-620(n))(포괄적으로, 실행 코어(630))를 포함한다. 각 실행 코어(620)는 실행 파이프라인(640)을 형성하는 기능 유닛(630)을 포함한다. 공유된 디지털 스로틀(650)은 모든 파이프라인(640)의 기능 유닛(630)에서의 액티비티를 모니터링 및 조정한다. 프로세서(110)의 이 실시예는, 총 전력 임계가 초과되지 않는 한, 각 실행 코어(620)가 나머지 실행 코어로부터 전력을 차용할 수 있도록 한다.
도6b는 본 발명이 구현된 다수의 실행 코어 프로세서(660)의 일실시예를 도시한 블록도이다. 프로세서(660)는 실행 코어(620(a)-620(n))(포괄적으로, 실행 코어(630))를 포함한다. 각 실행 코어(620)는 실행 파이프라인(640)을 형성하는 기능 유닛(630)을 포함한다. 또한, 각 실행 코어(630)는 기능 유닛(630)에서의 액티비티를 모니터링 및 조정하는 디지털 스로틀(650)을 포함한다. 프로세서(110)의 이 실시예는, 각 실행 코어(620)가 연관된 디지털 스로틀(630)에 의해 개별적으로 스로틀링되도록 한다.
이에 따라, 프로세서의 기능 유닛의 액티비티 상태에 따라 프로세서내의 전력 소비량을 제어하는 디지털 스로틀이 제공된다. 액티비티 상태가 명령어 실행 동안에 모니터링되고, 액티비티 상태로부터 추정된 전력 소비 레벨에 따라 실행 속도가 조정된다. 전력 소비량은 추정된 전력 소비량에 응답하여 "버블" 또는 NOP를 명령어 실행 스트림에 삽입함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 전력 가중치가 각 기능 유닛에 할당되고, 액티브인 각 기능 유닛에 대한 전력 가중치를 합산함으로써 프로세서의 전력 소비량이 추정된다. 추정된 전력 소비량이 임계값을 초과할 때에, 디지털 스로틀은 프로세서가 명령어를 실행하는 속도를 감소시킨다. 여러 기능 유닛에 대한 전력 가중치는 프로세서 설계 또는 테스트 단계 동안에 교정 절차에 의해 결정될 수 있다. 또한, 디지털 스로틀은 자가 교정 절차를 구현하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
이상에서, 제시된 실시예들은 본 발명의 여러 가지 특징을 설명하기 위해 제공되었다. 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는, 첨부된 청구항의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 한, 제시된 실시예의 변형 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 기능 유닛;
    상기 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어하고, 상기 기능 유닛으로 전달되는 전력 레벨을 표시하는 신호를 제공하기 위한 게이팅 회로;
    상기 표시된 전력 레벨을 임계 전력 레벨과 비교하기 위한 모니터 회로; 및
    상기 표시된 전력 레벨이 상기 임계 전력 레벨을 초과하는 경우, 프로세서 내의 명령어 플로우를 조정하기 위한 스로틀 회로
    를 포함하는 프로세서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기능 유닛은 상기 프로세서에 대한 명령어 실행 파이프라인을 형성하는 다수의 기능 유닛을 포함하는
    프로세서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 게이팅 회로는 다수의 게이팅 회로를 포함하고, 상기 각각의 게이팅 회로는 상기 다수의 기능 유닛 중 대응하는 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어하는
    프로세서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스로틀 회로는 상기 프로세서내의 명령어 플로우를 조정하기 위해 상기 프로세서 파이프라인에 버블(bubbles)을 삽입하는
    프로세서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호에 의해 표시된 상기 전력 레벨은 상기 기능 유닛이 동작중일 때에 그것의 전력 소비 레벨을 나타내는
    프로세서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스로틀 회로는, 상기 프로세서를 통한 상기 명령어 플로우를 조정하기 위해, 상기 게이팅 회로에 의해 제공되는 클럭의 듀티 사이클(duty cycle)을 감소시키는
    프로세서.
  7. 프로세서내의 전력 소비를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 프로세서내의 게이팅 회로로부터 전력 신호를 수집하는 단계;
    상기 수집된 전력 신호에 따라 추정된 전력 소비 레벨을 조정하는 단계;
    상기 추정된 전력 소비 레벨을 임계 전력 소비 레벨과 비교하는 단계; 및
    상기 추정된 전력 소비 레벨이 상기 임계 전력 소비 레벨을 초과하는 경우, 상기 프로세서에 의한 명령어 실행 속도를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 명령어 실행 속도를 조정하는 단계 이전에, 선택된 주기 동안에 상기 추정된 전력 소비 레벨을 누산하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 수집 전력 신호는 상기 게이팅 회로에 연관된 기능 유닛으로 현재 전달되는 전력 레벨을 표시하는 신호를 포함하는
    방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 각각의 게이팅 회로는 그것과 연관된 기능 유닛에 제공되는 클럭 신호를 제어하는
    방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 명령어 실행 속도를 조정하는 단계는 상기 게이팅 회로에 의해 제공되는 상기 클럭 신호를 특징짓는 듀티 사이클을 조정하는 단계를 포함하는
    방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 추정된 전력 소비 레벨을 누산하는 단계는 프로세서 클럭의 선택된 수의 사이클 동안에 상기 추정된 전력 소비 레벨을 누산하는 단계를 포함하는
    방법.
  13. 실행을 위한 명령어를 저장하기 위한 메모리 시스템;
    상기 명령어를 실행하기 위해 다수의 기능 유닛을 포함하는 명령어 실행 파이프라인;
    상기 메모리 시스템으로부터의 상기 명령어를 상기 명령어 실행 파이프라인에 특정 속도로 제공하기 위한 명령어 전달 시스템;
    다수의 제어 회로 - 상기 각각의 제어 회로는 상기 다수의 기능 유닛 중 하나에 전달되는 전력을 제어하고, 전달중인 전력을 나타내는 신호를 제공함 -; 및
    상기 제어 회로에 의해 제공된 상기 신호로부터 전력 소비 레벨을 추정하고, 상기 추정된 전력 소비 레벨에 따라 상기 명령어 전달 시스템의 상기 특정 속도를 조정하기 위한 스로틀 회로
    를 포함하는 컴퓨터 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다수의 제어 회로의 각각에 의해 제공되는 상기 신호는 상기 제어 회로에 연관된 상기 기능 유닛에 대한 전력 소비 레벨을 표시하도록 교정(calibrate)되는
    컴퓨터 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 명령어 전달 시스템은 프로세서 클럭에 의해 제어되는 속도로 상기 명령어 실행 파이프라인에 의한 처리를 위한 명령어를 발행하는 발행 유닛을 포함하는
    컴퓨터 시스템.
  16. 하나 또는 그 이상의 기능 유닛; 및
    상기 프로세서에 대한 전력 소비 레벨을 추정하기 위해 상기 하나 또는 그 이상의 기능 유닛의 액티비티 상태를 모니터링하기 위한 디지털 스로틀
    을 포함하는 프로세서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 디지털 스로틀은,
    각각이 상기 기능 유닛 중 연관된 기능 유닛으로의 전력 전달을 제어하고, 상기 연관된 기능 유닛에 대한 액티비티 상태를 표시하기 위한 하나 또는 그 이상의 게이트 유닛; 및
    상기 하나 또는 그 이상의 기능 유닛의 상기 표시된 액티비티 상태로부터 상기 프로세서의 전력 소비 레벨의 추정치를 판정하기 위한 모니터 회로를 포함하는
    프로세서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 모니터 회로는 상기 추정된 전력 소비 레벨을 임계값과 비교하고, 상기 비교 표시를 제공하는
    프로세서.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 기능 유닛은 명령어 실행 파이프라인을 형성하고,
    상기 명령어 실행 파이프라인내의 명령어의 종류에 따라 상기 하나 또는 그 이상의 기능 유닛에 대한 액티비티 상태를 표시하기 위한 파이프라인 제어 모듈
    을 더 포함하는 프로세서.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 디지털 스로틀은 상기 하나 또는 그 이상의 기능 유닛의 액티비티 상태를 이용하여, 상기 프로세서의 전력 소비 레벨을 추정하기 위한 모니터 회로를 더 포함하는
    프로세서.
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