TWI306552B - Methods and apparatus for achieving thermal management using processor manipulation - Google Patents

Description

1306552 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關在處理環境中執行熱管理的方法及裳置，尤 其有關藉由有效分配指令及工作以減少熱點的方法及裝 置。 " 【先前技術】 計算系統變得越來越複雜，在達成較高處理速度的同時 也縮減組件大小，將器件密集地集中在電腦晶片上。此種 進展對於許多應用程式的成功至關重要，#即時、多媒體 遊戲及其他計算密集式應用程式。通常，計算系統併入多 個平行運算（或至少共同運算）的處理器，以增加處理效 任組仵及器件執行如指 熱。過熱對於如電腦晶片之電子組件的處理能力有不利的 影響。例如，如果晶片的一個區域正在執行計算、 作，則該區域將相對於其餘晶片從熱點明顯變執 點超過熱臨界，則將使在晶片該區域中之組件或； 能降級，或甚至使晶片受損或毀壞。 的效 解= : = =方案來解決過熱的問題。機械的 龐大且只能將熱從晶片驅散至圍繞晶片的空 ^體積 片存放在如個人電腦機殼的外殼中時。在將晶 移=’但風扇本身既佔用空間又產生惱人：:：扇來 還，、他更複雜的熱管理方案。例如，在-項解:方案 100747.doc 1306552 中’將溫度感測器放在關鍵的電路元件（如處理器）上 後將風扇安裝在關聯的系統外殼中。當溫度感測器指示達 到特定溫度時，風扇隨即開啟，以增加空氣流動通過系統 :卜殼，使處理器冷卻°或者，可以發出警報，使處理環境 ，感測器指示超過預定溫度等級時開始關機。 感測器放在離熱點的一段距離處。不幸的是，此反饋方式 =作可能過於緩慢或極不可靠，因而無法有效防止: 其他執打熱管理的嘗試做法則採用軟體來進行。例如， —項技術可減緩組件的時脈，因而有更多時間在運算之間 f部。一種習用的系統可使用調節機構來控制從指令 '、取記憶體至指令緩衝器的指令取得速率。減少取得速率 :降，熱的產生。更強烈的做法甚至關閉處理器，以允許 處理器冷卻。尤去认且 & 、 幸的是，所有這些技術直接影響到組件運 鼻的迷度，因而不利即時處理的需求。 【發明内容】 ，在本技術中需要既能達成熱管理且能避免附加硬 體或無效率之軟體常式的新方法及裝置。 :據本發明的具體實施例，提供用於執行運算的方法及 跑、’ s較佳的方法中’熱臨界係和複數個處理器件相關 第:㈣係提供給處理器件中至少部分。第一器件可執行 、算纟果第冑理器件在執行第-運算時超過其熱 m | ’則將第-運算傳送至第二處理器件。 在—項範例中，可操作第二處理器件以執行第二運算。 100747.doc 1306552 此處，該方法另外包含將第二運算傳送至第一處理器件。 情況下，該方法較佳進-步包含第-處理器件按降低 的時脈速度執行第二運算。 在執料算運算之另—個較㈣方法中，複數個處理器 件係和熱臨界相關聯運筲 丨别運异係提供給處理器件中至少部 分。可操作第一處理器件以執 „ , ,± 仃第一運异。如果第一處理 ° 卩帛運算期間超過其熱臨界，則將第—運算傳 送至佇列。 ％开If 在-項範例中，仔列係為熱仵列或冷㈣。該方法進一 步包括使熱屬性和第-運算相關聯，及傳送第―運算包括 根據熱屬性，將第一運算_ g 、分丁 延异毛送至熱佇列或冷佇列。在此情 /下’該方法包括根據由所選處理 器件執行第一運算)產生的熱 （果選擇該 A入 …置决疋熱屬性。或者，埶佇 古k έ複數個熱仔列，及冷仵列包含複數個冷仔列，各且 =相i:優先權。第一運算具有和其相關聯的執;; == ，傳送第—運算進-步包括根據執行 =及熱作列及冷件列的優先權，將第—運算發送至敎 知列的所選熱㈣或發送至冷仵列的所選冷㈣。' 根據本發明的各方面，較佳的 月筮-*愧明 ^ 糸統包括弟一處理器 及第一處理器。處理器能夠執 只。+ 遇斤各處理器具有熱臨 ^ ° 理器在第一運算的執行期間超過其敎臨 界，則將第一運算傳送至第二處理器。 處理以較佳包括以i卜如果第二處 理器的熱臨界時正在執行第二運算，則第處 异則可操作第二處理器 100747.doc !3〇6552 以將第二運算傳送至符列或傳送至第一處理器。符列可以 是複數個優先權佇列之-。或者，佇列可以是熱佇列或冷 仔列。 另-種較佳的處理系統包括第一處理器及第二處理器。 :處理器具有熱臨界。第一處理器及第二處理器分別能夠 執行第-運算及第二運算。第一運算具有高優先權，及第 一運算具有低優先權。如果第-處理器在第-運算的執行 期間超過其熱臨界，則將第一 、 ％异得迗至第一處理器及將 :運算傳送至第—處理器。第—處理器按降低的時脈速 度執行第二運算。 選運算 ::本發明的另一項具體實施例，提供一種處理系統。 ::統係用於處理和熱屬性柄關聯的運算。該系統包 二广:運算、第二運算、及處理器。第-運算具有超過 ΓΓ的熱屬性。第二運算具有未超過運算底限的熱屬 2處理器能夠執行運算。處理器具有熱臨界。如果 k處理器的熱臨界’則處理器選擇第— 如果超過處理器的熱臨界’則處 仃理。 裔選擇第二運算以進行 :本發明各方面之又另一種較佳方法中，提供一種處理 =中運异的方法。組件按時脈速度執行運算。該方法包 供具有較低或較高執行優先權的運算。決定指示組件 二的熱值。然後’根據該熱值’降低時脈速度，並選擇 二有=低執行優先權的運算之-；或者維持或提高時脈速 選擇具有較高執行優先權的運算之一。然後處理所 100747.doc 1306552 處理。 摔2未超過熱臨界，且如果第—運算何用，則較佳可 知作處理器以獲得及執 -遥曾丁 丁罘一運算。在此情況下，如果第 ^運异不可用，則處理器可間置—段預Μ時間，如 夕個時脈週期。在另一 4 #I, 替代方案中，該系統包括複數個 優先推佇列。各優先權佇 -運曾.刀楚…，J匕括.第-飪列，用於儲存第 …列’用於儲存第：運算。上 權佇列的第一優先權佇列# … 仪先 係為阿優先權佇列，及優先權佇 歹J的第二優先權佇列係為 馒无權分列，及優先權佇列的 第二優先權佇列係為低優先權佇列。 根據本發明的各方面，提供—種用於處理運算的處 置。該處理裝置包含記憶體及 、 處理益件。記憶體儲 存第-運算。處理器件能夠執行第一運算。處理器件的第 一處理器件包含：處理元件、處理單元或子處理單元。第 -處理器件具有熱臨界及對記憶體的存取。如果在第一運 算的執行期間超過熱臨界，則將該運算傳送至第二處理器 件0 處理器件中至少部分係為處理元件。在此情況下，部分 處理元件進-步包含至少一子處理單元。此處，各子處理 單元包括：浮點單元、整數單元、及和浮點單元及整數單 元相關聯的暫存器。子處理單元視情況各包括本機存放 區0 或者’處理元件中至少部分進一步包含處理單元及複數 個和處理單元相關聯的子處理單元。在此情況下，各子處 100747.doc 1306552 早元進一步包括本機存放區。 在一項範例中，第一處理器件包 體包含在子處理單元，及記憶 各在子處理皁凡中的本機存放區。 包括用於管理運算的仵列。如果第二處理哭件：：存放區 處理器件的熱臨界時正在執行第二運算，。過第一 理器件以將第二運算傳送至佇列或傳送至第呆作第一處 佇列可以s、备此加 苛圪主第一處理器件。 丁歹】了以疋複數個優先權佇列之_。 —传列，用於管理第一運算，·及第 ’ τ列包含：第 運算。 Τ幻，用於管理第二 二項::中，記憶體包含:第-記憶體，用於儲存 下，處’用㈣存第二運算。在此情況 的存取。分具有對第一記憶體及第二記憶體 時正在執行第=器件在超過第—處理器件的熱臨界 仃第一運鼻，則第二處理 至第二記憶體或傳送至第一處理器件。了將第一運异傳达 在進—步的範例中，同# 二運算維持在記憶體中。時配置將第一運算及第 根據本發明進—步 處理裝提供—_於處理運算的 運算。可操作、//體及第二記憶體儲存第-運算及第二 算。第_、 個處理11件以執行第—運算及第二運 二第Γ器件包含:處理元件、處理單元或子處理單 兀弟一處理單元且古 干 憶體的存取。如果：楚:上界以及對第一記憶體及第二記 將第-運算傳详b —運算的執行期間超過熱臨界，則 异傳送至第二處理器件。 100747.doc - 10- 1306552 理裝置。可操作處理器件以執行運算^^理運算的處 二處理以…入★ 處理器件及第 器件各n處理元件、處理單元或 第一處理器件及第二處理器件各具有熱臨界。第且 f弟-優切及第二運算具有第二優先權。 ; 送至第二處理器件。將第二運該運算傳 -處理器：按降低的時脈速度執行第二運算。較：件2 優先權為尚優先權及第二優先權為低優先權。 根據本發明進—步的各方面，提供_ 處理裝置。第一於處理運算的 符合條❹熱H第二P 件的熱屬性。處理器能夠執行兩個運二: ….處理元件、處理單元或子-處理器的熱臨界，則處理器選擇第-運算以進3未超過 超1丄界，則處理器選擇第二運算以進 如果未超過該熱臨界，且如果該第 操作處理器以獲得及執行該第二運算。如果第=直則可 '用，則處理器能夠間置一段預定的時間果第-運算為不 忒裝置視情況包括複數個優先權佇列。各 括第-Μτ列及苐二件列。第一传 存6列包 及第二佇列係用於紗+ Μ π孓储存第一運算， -優先權仵列…運算。較佳’優先權仔列的第 先權宁列’及優先權仵列的第二優 仔列係為低優先權=及優先權仲列的第三優先權 100747.doc 1306552 。在一項範例中’處理器包含子處理單元，其包括：浮點 單凡、整數單元、及和浮點單元及整數單元相關聯的暫存 器。較佳，子處理單元也包括本機存放區。 【實施方式】 士了清楚明瞭之故，在說明如圖所示之本發明的較佳具 體=施例時，將會使用特定的專門用語。然而，本發㈣ 無意受限於所選的特定用語，且應明白’各特定用語包括 以相似方式運算以達成相似目的的所有均等技術。 現在參考圖3 A，其為可根據本發明各方面加以採用之基 本處理模組或處理器元件（PE)3〇〇的方塊圖。如此圖中所 示’ PE 300較佳包含：1/〇介面3〇2、處理單元（pu)3〇4、 直接記憶體存取控制器（DMAC)鳩、及複數個子處理單元 (SPU)3〇8(即 ’ SPU 3〇8a_3〇8d)。儘管顯示四個 d，但PE 300可包括任何數量的此類器件。本機（或内 部）PE 匯流排 320 在 PU 3〇4、spu 3〇8、1/〇 介面 3〇2、 DMAC 306、及§己憶體介面31〇之中傳送資料及應用程式。 本機PE匯流排320可具有如習用的架構，或可作為分封交 換網路來實施。實施為封包切換網路儘管需要更多硬體， 但可增加可用頻寬。 可使用實施數位邏輯之各種方法來建構pE 3〇〇。然而， 較佳將PE 300建構為採用矽基板上CM〇s的單一積體電 路。PE 300係透過高頻寬記憶體連接322而和記憶體33〇密 切相關聯。記憶體330理想上可當作pE 3〇〇的主記億體。 雖然記憶體330較佳為動態隨機存取記憶體（dram)，但記 100747.doc „ 1306552 憶體330也可以使用其他構件來實施，如：靜態隨機存取 記憶體（SRAM)、磁性隨機存取記憶體（MRAM)、光學記憶 體、全息記憶體等。；DMAC 3 06及記憶體介面310可促進記 憶體330和PE 3 00之SPU 3 08與PU 304間之資料的傳輸。 PU 304可為如能夠獨立處理資料及應用程式的標準處理 器。在運算中’ Ρϋ 304排程及協調由SPU 308處理資料與 應用程式。8卩11 308較佳為單一指令、多個資料（5[11^£))處 理器。在PU 304的控制下，SPU 308可按平行及獨立的方 式處理資料與應用程式。DMAC 306控制PU 304與SPU 308 對儲存於共用記憶體330中之資料與應用程式的存取。較 佳將數個PE(如PE 300)結合或集中一起，或以其他的方 式在邏輯上和彼此相關聯，以提供加強的處理能力。

圖3B圖解包含多個根據本發明各方面進行運算之pE

3 5 0(PE 1、PE 2、PE 3、及PE 4)的處理架構。較佳，pE 350係在單一晶片上。PE 35〇可包括或也可不包括上述有 關圖3入之？£ 300的子系統，如1>1；及/或81)11。根據所需處 理的類型，PE 3 5 0可以屬於相同或不同類型。例如，pE 3 5 〇 可以是一般微處理器、數位信號處理器、圖形處理器等。 卩£ 350較佳聯結至共用匯流排352 〇記憶體控制器或 DMAC 356透過記憶體匯流排354連接至共用匯流排352。 DMAC 356連接至記憶體358，此記憶體可以是上述有關記 憶體330的類型之一。也可以透過1/〇匯流排36〇將1/〇控制 器362連接至共用匯流排352。1/〇控制器362可連接至一或 多個I/O器件364，如訊框緩衝器、磁碟機等。應明白，上 100747.doc -13· 1306552 述處理模組及架構僅為舉例，可和其他結構一起採用本發 明的各方面，包括但不限於如以下專利所揭露之類型的多 處理器系統：美國專利第6,526,491號，其標題為 「Memory Protection System and Method for Computer Architecture for Broadband Networks(用於寬頻網路之電腦 架構的記憶體保護系統及方法）」，核發於2003年2月25 曰；及美國申請案第09/816,004號，其標題為「Computer Architecture and Software Cells for Broadband Networks(用 於寬頻網路的電腦架構及軟體單元）」，申請於2001年3月 22曰，其在此以提及的方式明確併入本文中。 圖4圖解根據本發明各方面所採用之SPU 400的結構與功 能。SPU 400較佳包括：本機存放區402、暫存器404、一 或多個浮點單元406及一或多個整數單元408。SPU 400的 組件則包含子組件，說明如下。根據所需的處理能力，可 採用更多或更少數量的浮點單元（FPU)406及整數單元 (IU)408。在一項較佳的具體實施例中，本機存放區402含 有至少128千位元組的儲存體，及暫存器404的容量是 128x128位元。浮點單元406較佳以每秒至少320億浮點運 算的速度（32 GFLOPS)進行運算，及整數單元408較佳以每 秒至少320億運算的速度（32 GOPS)進行運算。 本機存放區402較佳並非快取記憶體。並不需要用於 SPU 400的快取記憶體一致性支援。而是，較佳將本機存 放區402建構為SRaM。對於由PU 204所啟始的直接記憶體 存取，PU 204可能需要快取記憶體一致性支援。然而，對 100747.doc -14 - 1306552 於由SPU 400啟始的直接記憶體存取或對外部器件之間的 存取’並不需要快取記憶體一致性支援。 SPU 400進一步包括透過匯流排介面（匯流排1/；^412在 SPU 400之間傳送應用程式與資料的匯流排4ι〇。在一項較 佳的具體實施例中，匯流排41〇為ι，〇24位元寬。spu 4〇〇 進一步包括内部匯流排414、416及418。在一項較佳的具 體實施例中，匯流排414具有256位元的寬度並在本機存放 區402及暫存器404之間提供通信。匯流排416及418分別在 暫存器404與浮點單元4〇6之間，以及暫存器4〇4與整數單 元408之間提供通信。在一項較佳的具體實施例中，匯流 排416及418從暫存器404至浮點單元或整數單元的寬度為 384位元，及匯流排416及418從浮點單元或整數單元至暫 存器404的寬度為128位元。匯流排從暫存器4〇4至浮點單 70 406及整數單元408的較大寬度在處理期間容納暫存器 404的較大資料流。在一項範例中，各計算需要最多三個 字組。然而’各計算的結果通常只有一個字組。

現在參考圖1，其中圖解形成於基板1〇〇上的組件ι〇2。 基板100及組件102可包含電腦晶片的部分或全部。組件 102可以是邏輯器件或其他電路。可將在基板1〇〇之區域中 的一或多個組件102關聯一起成為單元1〇4。單元1〇4及單 元104的群組1〇6也可以和彼此相關聯，以形成如：pE 300、PU 304、SPU 308、PE 350或其子組件。例如，單元 的群組106可包含SPU 400，及群組106内的單元1〇4可包 含：本機存放區402、暫存器404、FPU 406、整數單元 100747.doc -15· 1306552 408、及匯流排i/f 412。各單元104則可亦包括其他單元 1 04及組件1 〇2，如DRAM記憶體單元、邏輯閘、緩衝器 等。儘管使用組件102、單元104、及群組106圖解各種複 雜等級，但更常使用用語「組件」來代表所有等級的器 件’從最基本的建立區塊（如’電晶體及電容器）一直到PE 3〇〇或PE 350及整個電腦晶片本身。通常，將組件建構為 採用基板100上互補式金氧半導體（CMOS)的積體電路。基 板1 〇〇較佳為矽基板。基板1 〇〇的替代材料包括但不限於： 砷化鎵、砷鋁化鎵及其他所謂採用各種摻雜物的ΙΠ_Β化合 物。也可以使用超導材料（如，快速單一通量量子（RSFQ) 邏輯）來實施組件102。 由於組件執行運算如處理指令或工作（如，一連串指 令）’組件通常會產生熱。如本文所用，用語「運算」^ 「工作」係、指要執行的活動’包括但不限於：單一或多個 步驟的指令、工作及程式。

在本發明的—方面，由組件執行的運算可和熱屬性相關 聯，致使熱屬性的值有關組件執 卞矾仃該運异時預期由組件產 生的熱量。較佳，熱屬性也是基 ,,* ^ 土於時間。例如，屬性的值 代表一段固定時間後所產生的熱量。 熱屬性可加以測量或估計。例 、w由^ 可使用溫度計或其他 / 皿度感測器件以實際測量單元在 、 ΦΛ ^ . 仃特疋運4時的溫度。 車乂佳根據組件的功率消耗來估計熱 M —r- ^L. 、鸯性。例如，·一 jib 可此而要較多的運算功率，因而且 二，· 其他组件可处呈古4 Η从 /、有比較南的熱屬性。 、，牛了月b具有相同的功率消耗作浴 1一部疋較密集地集中一 100747.doc •16·

爾屬性指派給組件的群組。下 = 及熱屬性。 _ 4早的運

1306552 起 因而傾向於比較多7 )¾ P弓Μ心女 一 較為開的組件產生更多的埶。 吕，可根據兩個因子來估計埶 …就此而 件的功率密度或組件的群組::：，；:=根據組 性可反映：預期組件執行運算時所產生的哉、:熱屬 所產生的熱量、組件的 &時間後 及相關(如，實體上戈、羅 ^ 、且件的功率密度、 霄體上或邏輯上相關）群組之組 =為了達成晶片的有效熱管理，最好排程各 ： 隸。可在晶片發展期間估計組件功率消耗。例如的= 打晶片、子系統及/或個別組件的電路模擬。，可執 較佳’熱屬性係進一步釦蛀〜 < 从』 運算(整數加法運笪1 件相關聯。例如，如果 數加㈣)僅涉及整數單元· 整數早X408相關聯。同樣地 特疋和 和浮點單元406相關聯盆-，.運异的熱屬性可特定 祁關聯。其他運算可能 將資料從本機存放區物至暫存器404。還有二1= 可能涉及所有組件或很難歸類於;且運真 如’彩現3-D圖形可能涉及处有:組件。例 屈w· v么r的所有組件，发φ舶 屬生係套用·U4。。中的所有組件。或 = =的組件在執行運算時將產生多少 = I00747.doc 1306552 在一項較佳的範例中，給定組件（或給定組的組件）的熱 屬性計算如下：TA=k*(p/s)。TA，等於組件的功率密度= 功率消耗(p)的熱屬生’除以組件的大小或覆蓋區⑻，乘 以用於熱估計的因子或常數（k)。 根據本發明的—方面，程式編譯it使㈣屬性以協助防 止組件過熱。可以軟體、韌體、硬體或其組合實施編譯 器。可使編譯器和處理元件（如ΡΕ 3〇(^1ΡΕ 35〇)或其子組 ^目關聯（如’併人）。圖叩解本發明各方面的編譯器功 ^。如本技術巾所熟習’編譯it接收原始碼並產生能在計 算系統上執行的目標碼。根據本發明的各方面，編譯器接 收原始碼及關於運算及/或組件的熱屬性。編譯器較佳根 據熱屬性來產生目標碼。編譯器藉由計算指令數來管理編 譯時，將靜態估計由編譯器編譯之目標碼的熱靠。較佳 使用咅|J析器」進行加強熱屬性判決，剖析器是能夠計算 ，令之動態執行並能夠報告各組件之運算頻率的效能監: 益。剖析器可提供更精確之編譯器的熱估計，因而可產生 熱最佳化目標碼。 圖2A-B圖解編譯器或其他指令排程器如何管理運算，以 免使處理降級或損壞組件。為了圖解之故，假設熱臨界 (Tmax)代表不想超過的溫度。三角形區段A、b、及c代表 :組件執行的指令。例>，區段A及B代表如產生明顯熱 算密集指令或工作’而區段c則不像八或8計算密集 且不會產生那麼多熱。更明確地說，假設工作A、B、及C 為總計算（2*3)+(4*5)+(6 + 7)的部分，其巾王作A代表 100747.doc 1306552 (2*3)，王作b代表（4*5)及卫作c代表（6 + 7)。如圖μ所見， 在按照A、B、及C的順序執行工作時，溫度將超過τ·。 此處，由於Α及Β係連續執行，因而突破熱臨 1 max 本技術中熟知編譯器通常具有有關如何排序特定指令的 判斷^。根據本發明-項較佳的具體實施例，編譯器可根 據運算的熱屬性有選擇地重新排序排程。較佳，編譯器初 變更指 =，A、„C中任何一項是否具有和其相關聯的 :、、、。右有’則編譯器可使用防止超過Tmax的順序，有 選擇地將運算編譯為目標碼。在上述範例中，編譯器可變 更計算等式的順序而不會變更最終結果。例如，其可按 A、C、及叫順序排程運算。因此，如圖2B所見α 令的順序時，溫度並未未超過·^。

Tmax 可 、，注意’熱臨界Tmax不—定是故障溫度。而是 以疋如根據訂定的運算參數所選擇的設計標準。 =外1在重新排序運算時，編譯器較佳㈣記錄執行計 =件，如，一連串運算可能使spu_ 熱（如 FPU 406)，而 qdttm 分， 而SPU的其他部分則維持冷 =。^器較佳藉由以下方式來解決_:試 使運算在咖的各種組件之中平均分布。編譯器可

這麼做的一個方式县J击田為jgg t L …屬性追蹤或模擬組件在執行程 屬！·生ΓΓ溫度。例如’假設組件x在每個時脈週期2個敎 定 ==時_其過熱之前具有_熱屬性點的、 屬性⑴°亥组件相關聯的運算具有每個週期5點的敎 ，則假設組件過熱’如果連續執行該運算三次(第： 100747.doc -19- 1306552 週期後5-2點，使目前的熱指數為3 ;第二週期後5_2點又增 加3點，使目前的總熱指數為6 ;第二週期後％2點又增加3 點，使目前的總熱指數為9)。已偵測組件χ在此排程下可 能過熱後，編譯器將試著排程由另一個組件執行運算，而 組件X則維持閒置並冷卻下来。

或者，編譯器可試著選擇其熱屬性低於預期組件冷卻之 速率的不同運算。例如，如果編譯器決定在目前的運算排 程下可肖b過熱，則其會试著將具有熱屬性為丨的運算（以允 許組件冷卻一些，假定其在一週期2熱屬性的速率下冷卻） 分散於具有熱屬性為5的運算之間。 根據組件包含在其他組件的程度，編譯器可進一步將較 大組件的熱屬性分配給其子組件，或從子 組件。例如，—所示，如果個別的組件同時執；： 有熱屬性為2、3、2、及7的運算，則可將所有這些運算之 SPU的熱屬性視為14。另-方面，可將可歸類於整個SPU 400的熱屬性分配給個別的㈣。如圖刚所示，如果μ 彩現的熱屬性為12並可歸類於整個spu，則可將該值平均 分= SPU彻内的組件。其他分配變化也可以，包括在 因谷關係、邏輯功能、73 ^ 實體接近程度而相關的組件之 間及之中進行分配。 不。可各種組件的熱值不僅反映個別組件的即時運 算’並還可隨料間累計及為各組組件進行總計。將料 因子納人考量’編譯器即可有效排程運算，以避免熱臨界

Tmiiv ° 100747.doc -20- 1306552 車乂 4冷部屬性係和含有各種組件的電 冷卻屬性根據電腦曰…… 片相關聯。 U之冷部系統的特定特色而定。例

卩屬性較佳根據晶片封裝及冷卻器（如散熱片或風 羽疋’如果有的話。如果冷卻系統只有冷卻器的-個 狀態（如’水遠按照設^的旋轉速度運轉風扇），則冷卻屬 性為固定。如果可以藉由如變更風扇的旋轉速度來改變A 卻系統的狀態，則在冷㈣統變更冷卻器的運作狀態時: 冷卻屬性較佳為動態並可加以決定或更新。在一項具體實 施例中’編譯ϋ㈣根據冷卻㈣有運作狀態*計算之固 定的冷卻屬性。編譯H在計算特定組件所屬料算密度時 使用冷卻屬性。較佳，編譯器亦將晶片封裝的散熱能力作 為因子算入。在進一步的具體實施例中，編譯器或剖析器 採用動態冷卻屬性以協助編譯器產生目標碼。下表圖解根 據熱屬性及冷卻屬性由給定整數單元（IU)4〇8及給定本機 存放區（LS)402處理之整算的示範排程。 指令# 〜 一文开《V ,卜罕 指令處理組件 5哳p狂 。 IU LS 1 LS 0 2 2 IU 3 1 3 LS 2 ~~ 3 4 IU 5 2 5 η-〇£ 4 1 6 IU 7 0 7 IU 10 〇 8 其他 9 0 9 n〇£ 8 〇 10 nop 7 0 ... ·» • · 100747.doc 1306552 ，假設IU 408的熱屬性為3，晶片的冷 彻的熱臨界為1G°最左欄代表指令編

對於上述指令組 卻屬性為1，及IU 號’第二攔代表處理該指令的組件，及表中右邊的兩攔顯 示組件在處理指令後產生㈣或溫度。例如，指令！係由 LS處理或實施，產生熱值為2，而聰持為零。指令2係由 IU運算H IU具有熱值為3，LS則冷卻至熱值為J。處 理繼續直到指令5，其為「無運算（卿）」。這允許戰以

冷卻至某種程度。m處理指彳6及7，使其熱值上升至定 限。為免超過定限，較佳由不同組件（「其他」）處理下一 個指令。例如，剖析器可監控叩及！^的指令執行，然後將 資訊報告給編譯器。編譯器可結合熱屬性及冷卻屬性一起 使用此資訊，使指令8由另一個见來處理。 現在參考圖5，其中圖解本發明各方面的多佇列排程方 法5 00。如圖5所見，排程器5〇2較佳和兩個佇列相關聯。 為了方便，本文將第一佇列稱為「熱佇列」5〇4及將第二 佇列稱為「冷佇列」506。可以許多不同方式實施佇列 504、506，如記憶體中的資料結構，或連續或間斷的集 合。在一項採用SPU 400的範例中，在SPU 4〇〇的外部實施 佇列504、506 ^也可以在如和記憶體33〇(或記憶體358)相 關聯之PU 304或PE 300(或PE 350)的外部實施佇列504、 506。在另一項範例中，在spu 4〇〇的内部實施佇列5〇4、 506。理想上’佇列5〇4、5〇6的實施可和本機存放區彳们或 暫存器404相關聯。例如，可結合第一 spu 4〇〇的本機存放 區402實施熱佇列504，及可結合第二spu 4〇〇的本機存放 100747.doc • 22- 1306552 區402實施冷佇列506。在SPU 400包括多個本機存放區402 時，可將熱佇列504儲存於本機存放區402的第一本機存放 區’將冷佇列506儲存於相同SPU 400之本機存放區402的 第二本機存放區。或者’可在spu 4〇〇的外部或pe 300的 外部’在相同的本機存放區402或在相同的記憶體中實施 熱符列504及冷佇列506。如果經由暫存器4〇4實施佇列 504、506，則各種替代方案都可行。在一個情況中，可經 由第一 SPU 400的暫存器4〇4實施熱佇列5〇4，及可經由第 二SPU 400的暫存器404實施冷佇列5〇6。也可以按分時配 置來實施佇列504、506’如其中佇列5〇4、5〇6中的一個係 於第一時段儲存於記憶體中，然後佇列504、506的另一個 係於第二時段儲存於記憶體中。 排程器502可根據熱屬性將指令、工作或其他運算置放 於熱仔列504及冷仵列506。㈣，排程器5〇2可存取含有 熱屬性的查找表。排程器5〇2在執行時間運算之前及/或之 :進行運算。排程器502可根據組件的目前（或預測）溫度從 熱作列⑽或冷件列506選擇工作。在—項較佳的範例中， 只=器件的目前溫度未超過運算底限，排程器逝即 熱仔列504或冷佇列5〇6選擇 例中，在另一項較佳的範 用貝^果未超過運算底限且如果熱工作及冷工作均為可 ’則排程器502可在從冷仵列5〇6選擇工作之前，先從執 丁列504選擇工作。僅是舉例， = 指今弗T从阳文夕W遇异的序點 次工作和相對較高 算放在執佇列5〇4由 相關聯。可將這些運 丁列504中’如工作Η】.為所示。其他運算，如 100747.doc •23· 1306552 整數指令及單—谨曾 二：::：運算放在冷仔列506中，如工作一 '”，：的熱屬性較佳使用編譯器及/或剖析器的資訊來 佳、，工作ΓΓ可報告各組件執行卫作的運算頻率。較 率…杜…、屬性可併入組件的運算頻率(如，使用頻 例簡,、的熱屬性、及冷卻屬性。根據-項具體實施 ^的排程器僅使用具有子組件（如SPU彻）之組件 的:熱屬性。根據另一項具體實施例，進階排程器管理 SPU^^#(^LS 402 ^?1；4〇6^11； 4〇8)^m^ 下表圖解給定SPU中m、FPU、及LS用於3_D工作及

工作 —------- 3-D iv /sq i + ◦ 3 I —FPU 7 LS 總數（SPU) MPEG-2 2 Π 2 0 12 2 __I \J -W Τ π你命脾赞、巩丹丹有数值 2 12,且其可能超過SPU的熱臨界。因此，此簡單的排程 益僅選擇MPEG-2工作，以由SPU執行。相反地，進階排 程器較佳監控SPU的子組件。在此情況下，進階排程器將 發現沒有任何子組件超過其熱臨界，因此可以選擇3七工 作:在-項替代方案中，排程可重新排序工作或工作内的 運算，致使在特定階段執行MpEG_2工作，讓Fpu有時間 進行冷卻。此彈性為功能強大的工具，可讓子組件、組件 及/或整個多處理系統進行運算時不會過熱。 如本技術者所明白，可在硬體、韌體、或軟體中實施排 程器502。較佳，排程器5〇2係為基於硬體且在卩1； 2〇4中實 100747.doc -24· 1306552 施。在另一項較佳的替代方案中，排程器502係為基於軟 體並屬於總計算器件之運算系統的部分。熱佇列504及冷 佇列506較佳在程式執行期間可透過匯流排5〇8由一或多個 ΡΕ(ΡΕΙ.,.ΡΕΝ)、PU(PU1...PUN)、及/或 SPU(SPU1...SPUN) 存取。根據一項具體實施例，各PE、PU及/或SPU較佳包 括熱感測器（溫度感測構件），以監控其溫度，或者，估計 目前的溫度。根據另一項具體實施例，各pE較佳包括熱感 測器及類比至數位A/D轉換器，以提供溫度的數位估計: PE的各核心較佳隨時讀取其自己的數位化溫度。、 PU、及SPU理想上各具有熱臨界τ_，且每㈣㈣㈣ 界都不-樣。如果無法使用熱感測器，則可藉由工作的熱 屬性及目前的冷卻屬性來計算目前的溫度。 … 排程器5G2也可以不用仵列來管理運算。可將運算館存 T記憶體中’及排程器5〇2可根據熱屬性指派部分運算給 # , 果有兩個運算，則排程器可根據埶屬性 將兩個運算指派給 尿“、、職 杜彳。-Τ收哎〜 個刀開的處理元件3〇〇(或其他處理器 °將運算儲存於分 。 開的部分中）。可^ ^己隐體中（或早己憶體之分 記憶體的乂 運算儲存於r記憶體中(或單- 中（或單一記情體了將第一運舁儲存於第二記憶體 而是可將其儲存在分）°不必同時儲存兩個運算； 在固定或可變的連:同時段中的相同或不同記憶體中（及 兩個記憶體（或單或間斷期間交替）。此外，應明白， 關聯之運算的專用記憶體。因此， 運算或和特定熱屬性相巾個不--是限於特定 I00747.doc -25· 乜06552 5己憶體（或單一記憶體的第一 及第二記择！^·^ m 邛刀）可儲存第二運算， 1體(或早-記憶體的第二部分)可儲 鼻。同樣地，了錯存第運 相似的太 第一佇列504、506可以 的方式進行運算。 圖6圖解獲得及處理運算之較 驟6〇2，Pp、DTT + 法的 '机程圖600。在步 T / SPU決定其目前的溫度是否在熱臨界 否^之程上。如果未超過n程序接著前進至步驟6〇4, 進订至步驟608。在步驟6〇4，決定熱作列別的 否 用貝丨程序刖進至步驟606， 「勃 月’J進至步驟608。在步驟6〇6，pE、pu或_獲得 6〇;、」運算’然後執行之。完成運算後，程序返回步驟 。在步驟608 ’決定冷佇列5〇6的運算是否可用。如果 井异可用，則程序前進至步驟61〇。否則，此程序進行到 步驟612。在步驟61〇，pE、⑼或卿獲得「冷」運算，然 後執仃之。完成運算後，程序返回步驟602。如果沒有任 何工作可供處理，則程序可在返回步驟6〇2之前，在步驟 6 U閒置或執行「n〇p」一段時間（如，預定的週期數）。視 月兄如以上有關圖5所述’如果熱工作及冷工作可用且 未超過Tmax ’則可選擇熱工作或冷工作。因此，如流程圖 600所不’處理器件能夠藉由選擇熱佇列504及冷佇列5〇6 的工作以避免熱點及過熱。此程序可由一或多個處理器件 同日寺執*行’從而允許不用改變時脈速度或關閉處理器件， 即可執行指令及工作。 T &、结合熱佇列及冷佇列和優先權佇列的使用，如圖7 100747.doc -26- 1306552 所示。在此圖中’提供多佇列排程方法54〇。排程器542係 和三個優先權佇列相關聯：高優先權佇列544、中優先權 佇列546、及低優先權佇列548，不過也可以採用不同的優 先權等級及仵列數。排程器542運算如以上參考排程器M2 所述。各優先權佇列544、546、及548較佳包括熱佇列及 冷佇列，其係以上述有關圖5的相同方式加以建立及運 算。例如，高優先權佇列544具有用於處理 Ηιη...Ηνη 的熱符列及用於處理工作Cih-..Cnh的冷仔列。同樣地，中 優先權仔列具有用於處理工作Η, Μ Η AA ii, 处理工忭的熱佇列及用於處 理工作C1m...Cnm的冷㈣。低優先權仵列具有用於處理工 作H1L…HNL的熱符列及用於處理王作以的冷佇列。 圖8圖解採㈣先權㈣時用於獲得及處理運算之較佳 方法的流程圖_。初始’在步驟8〇1，PE、PU、或spu決 定要採用的優先權仵列，如，高優先權㈣⑷、中優先 權仔列546、或低優先權仵列548。在步驟8〇2，邱、抑、 或SPU決定其目前的、、 別的咖度疋否在熱臨STmax之上。如果未 超過Tmax ’則程序接著前 伐者刖進至步驟804，否則程序進行至 步驟808。在步驟8〇4少宏 、疋所選優先權佇列之熱佇列5〇4 的運异疋否可用。如要谨嘗 還算可用，則程序前進至步驟 806，否則程序進行 P「# 订至步帮808。在步驟806，PE、即或 SPU獲得「熱」運算， 异‘、、、後執仃之。完成運算後， 回步驟80】^在步驟8〇s， 佼程序 5〇6^if^ ^所選優先们宁列之冷佇列 )ϋ6的運异疋否可用。 〇10 _ ^ ^ 果運异可用，則種序前進至步驟 8】〇，否則程序進行至+ 7 2 °在步驟8 1 0，PE、PU或 100747.doc -27. 1306552 SPU獲得「冷」運算，然後執行之。完成運算後，程序返 回步驟801。如果沒有任何工作可供處理’則程序在返回 步驟8〇1之前在步驟812閒置。視情況，如果給定優先權等 級的熱工作及冷工作可用且未超過Tmax，則可選擇該優先 權等級的熱工作或冷工作。因此，如流程圖8〇〇所示，處 理組件能夠藉由在執行時間期間選擇各種優先權佇列 544、546、及548之熱佇列及冷佇列的工作，來避免熱點 及過熱。此程序可由-或多個處理組件同時執行，從而允 •許不用改變時脈速度或關閉處理組件，即可執行指令及工 作。在替代方案中，如果處理器件變得過熱且接近或超過 ΤμΧ ’則可從較低優先權佇列（如，中優先權佇列546或低 優先權仔列548)選擇運异及/或按降低的時脈週期執行運 算，而不管運算的熱屬性。此類較低優先權工作可按降低 的時脈週期來執行。 在部分情況中，組件在執行運算（如’工作）之前可能低 _於熱臨界丁_，但接著在工作執行期間可能超過^。過 去’此類發生情況可能必須關閉組件，以允許組件冷卻。 然而，已發展可解決此問題的技術，且其尤其適用於多處 理器環境。 圖9A圖解多個執行工作群組的pE。在此範例中，假設 PE 2在其處理工作1期間過熱。可以將工作1從PE 2移動至 其他可能運算其他工作（如，工作2及工作3)的處理器之 …其他工作較佳為低於pE 2目前執行之工作的較低優先 100747.doc 28- 1306552 如圖9B所示，其他處理器中的工作，如工作3,可「交 換」並發送至如合適的件列（或不同的處理器）。因此’ PE 2在PE 3完成工作丨時不舍 執仃工作。或者’兩個處理器可 交換工作，致使PE 2執行較低優先權工作，如圖9C所示。 圖9C所不⑴初始’ PE 2及汗3可以標準時脈速度(如， 500 MHz)進行運算。桩| 接者’（2)如果PE 2在運算高優先權 工作1時變熱’則其卫作可和托3的較低優先權工作3交 換。最後，（3)可以較慢或降低的時脈速度（如，25〇 MHz) 執打較低優先權工作3，以允許PE 2冷卻，而PE 3繼續以 500 MHz的標準時脈逮度執行工作卜也可以增加時脈速度 (如’增加至650 MHz)，以執行較高優先權工作。應明 白，標準、增加、及降低的時脈速度只是示範，因⑽根 據處理器、子處理器的特定架構及/或多處理系統的最大 時脈速率而有所變化。在最糟的情況中，過熱的處理器可 在溫度達到理想等級之前終止運算。然而，多處理器系統 中的其他處理器將繼續處理，以便迅速執行即時運算及其 他重要運算。儘管在圖9A_C中顯示pE，但也可以及 SPU或各種處理器件的組合執行相同的運算。例如，過熱 的SPU 308可將其高優先權工作發送給pu 3〇4，然後 304再重新將工作指派給第二SPU 308。同樣地，Pu 3〇4可 以取得第二SPU 3G8的較低優先權工作，然後將其指派給 第一SPU 308。在第一SPU 3〇8冷卻後，即可恢復以正常時 脈速度來處理高優先權及/或「熱」工作。 雖然已參考特定具體實施例來說明本發明，但應明白， 100747.doc •29- 1306552 疋些具體實施例僅係用以說明本發明的原理及應用。因 此，應明白，可以對該等說明性具體實施例進行大幅修 改，並且可在不脫離隨附申請專利範圍所定義之本發明的 精神及範疇下設計其他配置。 工業適用性 本土月適用於減少熱點的技術，其係藉由在處理環境中 有效分配指令及工作。 【圖式簡單說明】 圖1圖解本發明各方面之分成不同組合的組件。 圖2A-B為標繪計算器件之溫度對時間的曲線圖。 圖3A為圖解本發明各方面之處理元件（pE)之示範結構的 圖式。 圖3B為圖解本發明各方面之邱之多處理系統之示範結 構的圖式。 圖4為圖解本發明各方面之子處理單元（spu)之示範結構 的圖式。 圖5為圖解本發明各方面之多佇列排程的圖式。 圖6為圖解本發明各方面之示範動態排程程序的流程 圖。 圖7為圖解本發明各方面之多佇列排程的圖式。 圖8為圖解本發明各方面之示範動態排程程彳的流程 固。 圖9A-C為圖解本發明各方面之工作遷移的圓式。 圖1 0 A _ B圖解和本發明各方面之組件相關聯的組件及熱 100747.doc -30- 1306552 值。 圖11圖解本發明各方面的編譯器功能。 【主要元件符號說明】

100 基板 102 組件 104 口 〇 — 早兀 106 單元104的群組 204 處理單元（PU) 304 處理單元（PU) 300 處理器元件（PE) 350 處理器元件（PE) 302 I/O介面 306 直接記憶體存取控制器（DMAC) 356 直接記憶體存取控制器（DMAC 308(308a-308d) 子處理單元（SPU) 400 子處理單元（SPU) 310 記憶體介面 320 本機（或内部）PE匯流排 322 高頻寬記憶體連接 330 記憶體 358 記憶體 352 共用匯流排 354 記憶體匯流排 100747.doc -31 - 1306552 360 362 364 402 404 406 408 410

508 412 414 416 418 502 542

506 544 546 I/O匯流排 I/O控制器 I/O器件 本機存放區 暫存器 浮點單元 整數單元 匯流排 匯流排 匯流排介面 内部匯流排 内部匯流排 内部匯流排 排程器 排程器 熱4宁列 冷佇列 高優先權仔列 中優先權仵列 低優先權佇列 100747.doc -32- 548

Claims (1)

1. "7年 @109854號專利尹請素 申請專利範圍替換本(97 月） 十、申請專利範圍： 1. _種運算處理方法，其特徵在於包含以下步驟： 於第一處理器以第-時脈速度執行第一運算時, 上述第一處理器的、'班许B i皿度疋否超過特定的臨界值； 在因執行第一運算使得上 -ΛΛ ^ ,. 乐羼理器的溫度超過相 疋的L界值時，於執行第— —们上述第—處理器與勃 灯優先度比第一運算低之笛__ 思异低之弟一運算的第二處理 將第一運算與第二運算交換； 於上述第一處理器中， . ^ f 乂比第—時脈速度低的第二時 脈速度執行第二運算。 于 2·如請求項1之運算處理方法，Α /、甲進而包含以下步驟： 於上述第二處理器中， r器中W比第-時脈速度高的第三時 脈速度執行第一運算。 卞 3·如請求項1或2之運算處理方法，其中 上：ί = 一處理器以第一時脈速度執行第-運算時， 俜灣Γ的溫度是否超過特定的臨界值之判斷， 你利用執行第一運|徭 _ 化的坌 不上述第一處理器的溫度變 化的第一熱屬性而實施。 4. 一種運算處理枝，其特徵在於包含以下步驟： 判斷於第一處理器第— 弟時脈速度執行第一運算時， “ 一處理11的溫度是否超過特定的臨界值； 在因執行第一運算使得Ρ #贫 定的旷述弟一處理器的溫度超過特 疋的£s界值時，於執行 ^ %异的上述第一處理器與執 仃優先度比第一運算低笛一 執 开低之弟一運异的第二處理器之間， 100747-970321.doi 1306552 將第一運算與第二運算交換； 於上述第一處理考由 > … 乐地里器中，停止第二運算之執行，直 述第一處理器的溫度降至 又$主特定的臨界值以下為止。 •如請求項4之運算處理方法 决’其中進而包含以下步驟： 於上述第二處理器中， 拄邮、* ώ 時脈速度高的第三時 脈速度執行第一運算。 Τ 6_如請求項4或5之運算處理方法，其中 ^於第一處理器以第—時脈速度執行第一運算時，上 ^弟―處理H的溫度是否超過特定的臨界值之判斷 利用執行第一運算後之表 '、 的第-熱屬性而實施。 仏的溫度變化 於種運”處理裝置，其係包含複數之處理器，其特徵在 第處理器係判斷其以第一時脈速度執行第一運算 日’、,’〔上述第—處理器的溫度是否超過特定的臨界值；在 述第處理器的溫度超過特定的臨界值時，於上述第 一處理器與執行優先度比第-運算低之第二運算的第一 即之間，將第一運算與第二運算交換；於上述第一 γ4-> …以比第一時脈速度低的第二時脈速度執行第 "一運算。 8·如响求項7之運算處理裝置，其中 戶：二第二處理器係以比第一時脈速度高的第三時脈速 度砜仃第一運算。 9’如喷求項7或8之運算處理裝置，其中 100747-970321.doc 1306552 處理器的溫執:第-運算後之表示上述第- 以第-時脈速度執:第運熱!：，判_ 度是否超過特定的臨界值。异時，上述第-處理器的溫 】〇. -種運算處理裳置，其係 於： 複數之處理益，其特徵在 η 時，上述第. 、罘—時脈速度執行第一運算 工迎弟一處理器的 ^ 上述第-虎ι皿度疋否超過特定的臨界值；在 纟益的溫度超過特定的 -處理器與執行優先 ^①上迷第 产理哭 第—運算低之第二運算的第- 處理器之間，脾筮、宏味 %开w乐— 考饰 將第—運异與第二運算交換；於上述Μ 處理器令，停止第於上述第一 硬异之執仃，直到上述 的溫度降至特定的臨界值以下為止。 处 1L·如請求項〗〇之運算處理裝置，其中 上述第二處理器係以比第 ..^ 第時脈速度高的第三時脈速 度執行第一運算。 ( 12·如請求項10或11之運算處理裝置，其中 運算後之表示上述第一 ，判斷上述第一處理器 ，上述第一處理器的溫 上述第一處理器利用執行第_ 處理器的溫度變化的第一熱屬性 以第一時脈速度執行第一運算時 度是否超過特定的臨界值。 100747-970321.doc