WO2010112700A2 - Dispositif de commande d'alimentation d'un calculateur - Google Patents

Dispositif de commande d'alimentation d'un calculateur Download PDF

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WO2010112700A2
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calculation unit
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Sylvain Durand
Nicolas Marchand
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Inria Institut National De Recherche En Informatique Et En Automatique
Centre National De La Recherche Scientifique Cnrs
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Definitions

  • the invention relates to a power supply control device of a computer.
  • the medium of electronic circuits and related components is an area that has grown particularly strongly.
  • IPs parts
  • SoC System on Chip
  • the invention improves the situation.
  • the invention proposes a device for controlling a computer capable of being powered on several voltage levels, comprising a controller arranged for receiving load, expiry, and instantaneous speed data for said calculator, for calculating a reference speed which enables said calculator to execute a computation quantity derived from the load data in a duration derived from the expiry data, and for calculating a voltage level and a control operating frequency for said computer from the reference speed.
  • At least one of the reference speed and the operating frequency is calculated from the instantaneous speed data.
  • This device is particularly advantageous because it makes it possible to issue power commands that are adapted to the logic requirements emitted by the operating system that uses the computer, while maximizing the energy consumption of the computer.
  • FIG. 1 represents a generic view of a power control device according to the invention
  • FIG. 2 represents a schematic diagram of an operating loop of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3 represents a first variant embodiment of the device of FIG. 1,
  • FIG. 4 represents a second variant embodiment of the device of FIG. 1,
  • FIG. 5 represents a third variant embodiment of the device of FIG. 1,
  • FIG. 6 represents a fourth alternative embodiment of the device of FIG. 1;
  • FIG. 7 represents another embodiment adapted to operate with a calculator comprising several cores, and
  • FIG. 8 represents an alternative embodiment of the device of FIG. 7.
  • the drawings and the description below contain, for the most part, elements of a certain character. They can therefore not only serve to better understand the present invention, but also contribute to its definition, if any.
  • the invention finds particular application in CMOS circuits.
  • CMOS circuits three main sources of energy consumption exist: the switching of the electrical doors of the circuit, the currents of short circuit, and - the currents of leakage.
  • the instantaneous power of a given circuit can therefore be seen as the sum of these three powers, which is reflected by the formula (10) of Annex A.
  • This formula shows the predominant role of the supply voltage V of the circuit. A solution to reduce consumption is therefore to lower the voltage.
  • FIG. 1 shows a power control device 2 according to the invention.
  • the device 2 controls the power supply of a computer 4.
  • Computer any electronic system capable of performing logical operations in fact data processing or calculation.
  • this includes, but is not limited to, processors, microprocessors, SoC chips, FPGA type programmable chips, and the like.
  • the power control device 2 receives data Ci and Ni on the one hand and data w on the other hand.
  • the data Ci and Ni respectively represent load data for the computer 4, and maturity data for the load data.
  • the data Ci and Ni are received by the power control device 2 from a higher level logical layer, for example from the operating system which exploits the computer 4.
  • the data w which is received by the power control device 2 represents the operational processing speed of the computer 4.
  • This operational processing speed is used by the power control device 2 as feedback information to avoid any drift with respect to the instructions it emits.
  • the computer 4 can be controlled in voltage and frequency. In fact, the computer 4 can operate at different voltage levels, at each voltage level corresponding to a range of possible operational frequencies. This voltage level V_lvl and the operating frequency f_op are outputs of the power control device 2.
  • the computer 4 operates by clock cycles controlled by the operating frequency f_op.
  • the power control device 2 operates in a similar manner.
  • the power control device 2 operates by time period Ts, each period corresponding to the duration between two successive control calculations.
  • the period Ts is generally of the order of several clock cycles of the computer 4.
  • the controller 2 transmits the voltage level and operating frequency commands calculated in the previous period.
  • the period Ts of the power control device 2 may be a fixed parameter which is chosen according to the calculator 4.
  • This period can also be adapted dynamically, that is to say that it can be set to a multiple of the duration of a cycle of the computer 4.
  • the multiplier has the value '10' (ten). However, this value could be set at higher multiples.
  • the power control device 2 analyzes the data Ci, Ni, and w, and returns the data f_op and V_lvl to the computer 4.
  • the power control device 2 sends power control data, and not the power supply itself.
  • the portion of the circuit charged to power the computer 4 based on the control data from the power control device 2 is not discussed here.
  • Fig. 2 shows an operating loop of the power control device 2. As discussed above, the power control device 2 operates by calculation periods.
  • the operating loop of the power control device 2 therefore begins with an operation 20 in which the data Ci, Ni and w that will serve are received.
  • the power control device 2 calculates a reference speed w_ref.
  • the power control device 2 will therefore implement a dynamic control of the power supply of the computer 4 so as to comply with the following instructions: - to finish the calculation load before the expiry, and to minimize as much as possible the voltage used during this calculation.
  • the power control device 2 starts at each period by calculating what is the "average" processing speed that the computer 4 should have to finish at the time indicated by the data. Ci data. Then, this average speed is optimized from an energy consumption point of view to obtain a reference speed w__ref.
  • Average speed is here called delta. To calculate the delta velocity, equation 20 must be applied.
  • the average speed is the amount of computation that remains to be processed, i.e. the load derived from the data Ci minus the amount of calculation that has already been processed, that is, ie, the sum of the instantaneous velocities w received multiplied by the time step of the power control device 2, divided by the time Li remaining before the expiry, which is designated by the data Ni.
  • equation 20 amounts to writing that the average speed to have is the amount of data to be calculated minus the amount already calculated, all divided by the time remaining.
  • Equations 30 and 32 show the application of equation 20 to the particular case of periodwise operation of the feeder 2.
  • the power control device 2 will determine the reference speed w_ref.
  • the principle of the reference speed is to note that it is advantageous to operate at maximum frequency for a given voltage level, in order to be able to go down from the voltage level as soon as possible.
  • the power control device 2 determines whether this speed corresponds to the frequency range of the voltage level established in the previous period.
  • the power control device 2 determines the voltage level which corresponds to the average delta speed.
  • the appropriate voltage level is that for which the average delta velocity is just below the maximum velocity, and higher than the maximum velocity of the next voltage level.
  • the power control device 2 proceeds in the same manner as described above to calculate the value of the reference speed w_ref.
  • the power control device 2 calculates the operating frequency f_op which corresponds to the reference speed w_ref, and derives the corresponding voltage level V_lvl.
  • the power control device 2 uses the data w to calculate the operational frequency f_op, using a system of order 1, according to the equations 40 and 42.
  • Equation 40 shows the calculation of the "error” between the reference speed w_ref and the instantaneous speed w received from the computer 4, and the equation 42 shows how this error is used to calculate the operational frequency f_op of the time step next.
  • Ts represents the period of the power control device 2
  • K is a gain
  • FIG. 3 represents an alternative embodiment of the power control device 2.
  • the calculation of the reference speed w_ref is separated from that of the operating frequency f_op and the voltage level V_lvl.
  • the power control device 2 thus comprises a reference speed calculation unit 6 and a control calculation unit 8.
  • the reference speed calculation unit 6 receives the data Ci, Ni and w, and returns the reference speed w_ref.
  • control calculation unit 8 receives the reference speed w_ref and the data w, and returns the operational frequency data f_op and voltage level V_lvl.
  • the computer 4 is controlled on two voltage levels, respectively called VIo (the lowest) and Vhi (the highest).
  • VIo the lowest
  • Vhi the highest
  • the part of the operation 30 which determines the speed w_ref is to compare the average speed delta with the maximum value of the frequency for the voltage level VIo. If delta is greater than this value, then w_ref receives the maximum frequency value of the Vhi level, and otherwise w_ref receives delta.
  • the control calculation unit 8 can therefore use the most recent data to establish the operating frequency f_op and the voltage level V_lvl, which ensures better performance.
  • the power control device shown in FIG. 4 represents a variant of the device of FIG. 3 in which the data w are only received by the reference speed calculation unit 6, and are transmitted to the calculation unit. order 8.
  • control calculation unit 8 can operate with data w a little less recent than in the case of Figure 3.
  • this embodiment has the advantage of being more simple to manufacture and implement.
  • the power control device shown in FIG. 5 represents an even more simplified variant of the control device of FIG. 3, in which the instantaneous speed data w is transmitted only to the reference speed calculation unit. 6, the control calculation unit 8 receiving here only the reference speed data w_ref.
  • the operation 40 is greatly simplified, since the operational frequency f_op is fixed with the value w_ref, and the voltage level V_lvl directly deduced from this value.
  • This embodiment offers performance even a little lower in energy terms. On the other hand, it allows manufacture and implementation of a remarkable simplicity.
  • the embodiment shown in FIG. 6 is a variant in which only the control calculation unit 8 receives the instantaneous speed data w.
  • the reference speed calculation unit 6 only receives the reference speed data w ref that it has previously calculated.
  • the calculation of the operating frequency f_op of the operation 40 implemented by the control calculation unit 8 is made more robust, with the use of a system of order 2.
  • a first error is calculated according to the formula 50, and this error is integrated over the period of the reference velocity calculation unit 6 according to the formula 52.
  • the operating frequency f_op is determined by means of the formula 54, in which ⁇ represents the time constant of the system once looped, and K is the gain.
  • FIG. 7 represents a device 2 adapted to the control of a computer 14 which comprises several cores. This means that, within the computer 14, it contains in the example described four calculation units similar to the calculator 4 can be addressed independently.
  • the calculator 14 may in other embodiments include as many cores as necessary, that is to say at least two and more than four, for example 32 or more.
  • a first approach to solve this problem is to look for a level of tension and frequency that constitutes a "consensus". However, this is not acceptable because a critical task can not be executed in time.
  • a second approach is to operate all the cores at the voltage level and the frequency of the most critical task. However, this tends to wipe out energy gains.
  • a limiter 10 is introduced into the device 2.
  • the function of the limiter 10 is to calculate for each heart the ratio between the frequency of the most critical task of all the tasks and the frequency that this heart should use to implement work its task in the mono-heart case.
  • the ratios determined by the limiter 10 are used so that each heart performs its task at a speed that corresponds substantially to that it would have used in the single-core case.
  • the computer 14 can integrate a hardware solution by means of a specific electronics that suspends the clock nodes 4 of the computer 14.
  • each heart functions as in mono-core mode, but at a voltage level that can be higher (it depends on the critical task).
  • clock-gating allows the transmission or non-transmission of the clock fronts to different nodes 4 of the computer 14 and can be achieved for example by means of a door AND.
  • the electronics can be replaced by a software solution.
  • we will "sleep" selectively, so that on a significant amount of cycles, each heart performs its task at a speed that corresponds substantially to that it would have used in the mono-heart case.
  • This variant has the advantage of being more scalable, because software. This means that updating the firmware will allow it to evolve.
  • the reference speed calculation 6 and the control calculation unit 8 are replicated as many times as there are cores.
  • the instantaneous velocity data is a multiplet w_m and the reference velocity data w_m_ref is also a multiplet.
  • the control calculation unit 8 transmits a multiplet of frequencies f_m and a multiplet of voltage levels V_m.
  • the limiter 10 is disposed at the output of the control calculation unit 8. It therefore receives the frequency multiplet f_m and the multiplet of voltage levels V_m.
  • the limiter 10 will compare all the frequencies of the multiplet f_m and select the highest. This frequency will be transmitted as f_op instruction to the computer 14 and the corresponding heart is called critical heart.
  • the limiter 10 selects the voltage level of the multiplet V_m which corresponds to the critical core designated above. This voltage level will be transmitted as setpoint V_lvl to the computer 14.
  • the limiter 10 calculates a multiplet rat_m which contains the ratio between each of the frequencies of the multiplet f_m and the frequency f_op.
  • the Applicant has identified that an order of magnitude of the order of 1000 is advantageous in the context of the invention.
  • the system which controls the tasks sent to the computer will operate with a frequency of the order of 1 kHz
  • the control device of the invention will operate with a frequency of the order of 1 MHz
  • the computer itself will operate with a frequency of the order of IGHz.
  • the invention relates to the implementation of a power control of an electronic system that performs calculations.
  • this command is made dynamic and adaptive through the use of order 1 and 2 systems.
  • order system 1 and 2 is meant a system whose function which performs the calculation of the command includes a polynomial whose highest monomial is 1 or 2. Higher order systems could also be used.
  • the power control device 2 has been described here as an element external to the computers 4 and 14, and separate therefrom. This means that the calculations that are implemented to calculate the power control are not performed within the calculator.
  • the power control device 2 could be integrated in the computer, and the implementation of the calculations of the power control could then be performed by the computer 4 or 14, the control taking into account this calculation overhead.
  • the Applicant has described a power control device in which the computer can be powered on several levels.
  • a particular example has been described for a two-level voltage supply.
  • a voltage level rise / fall loop is described to determine the adapted frequency range.
  • the controller 2 can be simplified to contain only one block of calculation of the frequency and voltage levels, that is to say that the units 6 and 8 can be merged.

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Abstract

Un dispositif de commande d'un calculateur (4) propre à être alimenté sur plusieurs niveaux de tension, comprend un contrôleur (2) agencé pour recevoir des données de charge (Ci), d'échéance (Ni), et de vitesse instantanée (w) pour ledit calculateur (4), pour calculer une vitesse de référence qui permet audit calculateur d'exécuter une quantité de calculs tirée des données de charge (Ci) dans une durée tirée des données d'échéance (Ni), et pour calculer un niveau de tension (V_lvl) et une fréquence opérationnelle (f_op) de commande pour ledit calculateur à partir de la vitesse de référence. Au moins un élément parmi la vitesse de référence et la fréquence opérationnelle (f_op) est calculé à partir des données de vitesse instantanée (w).

Description

Dispositif de commande d'alimentation d'un calculateur
L'invention concerne un dispositif de commande d'alimentation d'un calculateur.
Le milieu des circuits électroniques et des composants qui s'y rapportent est un domaine qui a connu un essor particulièrement important.
Au départ, les circuits intégrés étaient de taille importante, et étaient constitués de puces ou processeurs plus ou moins importants regroupés sur des cartes imprimées.
Les progrès de miniaturisation ont permis d'évoluer vers des puces de la taille d'un microprocesseur qui contient diverses parties ou « IP ».
Ces circuits intégrés sont communément appelés « System on Chip » (système sur puce en français) ou SoC.
Ces circuits intégrés sont particulièrement intéressants car ils permettent, dans une taille très réduite, de renfermer un ensemble de fonctionnalités extrêmement variées.
En outre, le fait de placer tous les éléments du circuit sur une seule puce réduit la consommation du système.
Pour réduire la consommation des puces, des travaux ont été développés pour ajuster, avant l'exécution d'une charge, la tension et la fréquence opérationnelles. Cependant, cette adaptation n'est pas dynamique, c'est-à-dire que la tension et la fréquence ne varient pas pendant le traitement d'une tâche donnée. Cela n'est pas adapté, notamment lorsque la charge est mal évaluée, ou lorsqu'elle est susceptible de varier.
L'invention vient améliorer la situation.
A cet effet, l'invention propose un dispositif de commande d'un calculateur propre à être alimenté sur plusieurs niveaux de tension, comprenant un contrôleur agencé pour recevoir des données de charge, d'échéance, et de vitesse instantanée pour ledit calculateur, pour calculer une vitesse de référence qui permet audit calculateur d'exécuter une quantité de calculs tirée des données de charge dans une durée tirée des données d'échéance, et pour calculer un niveau de tension et une fréquence opérationnelle de commande pour ledit calculateur à partir de la vitesse de référence.
Dans ce dispositif, au moins un élément parmi la vitesse de référence et la fréquence opérationnelle est calculé à partir des données de vitesse instantanée.
Ce dispositif est particulièrement avantageux car il permet d'émettre des commandes d'alimentation qui sont adaptées aux besoins logiques émis par Ie système d'exploitation qui utilise le calculateur, tout en optimisant au maximum la consommation énergétique du calculateur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels :
- Ia figure 1 représente une vue générique d'un dispositif de commande d'alimentation selon l'invention, - la figure 2 représente un diagramme schématique d'une boucle de fonctionnement du dispositif de la figure 1,
- la figure 3 représente un premier mode de réalisation en variante du dispositif de la figure 1,
- la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation en variante du dispositif de la figure 1,
- la figure 5 représente un troisième mode de réalisation en variante du dispositif de la figure 1,
- la figure 6 représente un quatrième mode de réalisation en variante du dispositif de la figure 1, - la figure 7 représente un autre mode de réalisation adapté pour fonctionner avec un calculateur comportant plusieurs cœurs, et
- la figure 8 représente un mode de réalisation en variante du dispositif de la figure 7. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
En outre, la description détaillée est augmentée de l'Annexe A, qui donne la formulation de certaines formules mathématiques mises en œuvre dans le cadre de l'invention. Cette Annexe est mise à part dans un but de clarification, et pour faciliter les renvois. Elle est partie intégrante de la description, et pourra donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
L'invention trouve une application particulière dans les circuits CMOS. Dans ces circuits, trois sources principales de consommation d'énergie existent : la commutation des portes électriques du circuit, les courants de court-circuit, et - les courants de fuite.
La puissance instantanée d'un circuit donné peut donc être vue comme la somme de ces trois puissances, ce qui est reflété par la formule (10) de l'Annexe A.
Cette formule fait apparaître le rôle prépondérant de la tension d'alimentation V du circuit. Une solution pour réduire la consommation est donc de baisser la tension.
Cependant, cela a également pour conséquence d'augmenter fortement le temps de propagation des portes du circuit, ce qui baisse donc la vitesse d'exécution des tâches par le circuit.
Cela signifie qu'en fonction du temps critique, qui est le temps maximal qu'une instruction donnée peut mettre pour être traitée par le circuit, il faudra baisser la fréquence du circuit, de manière à assurer que toutes les instructions sont exécutées avant le cycle d'horloge suivant. Dans les travaux antérieurs, il n'existe pas de gestion automatisée de ce type d'ajustement pour obtenir des économies d'énergie.
On a représenté sur la figure 1 un dispositif de commande d'alimentation 2 selon l'invention. Le dispositif 2 commande l'alimentation d'un calculateur 4.
Par calculateur, on entend tout système électronique susceptible de réaliser des opérations logiques à fait de traitement de données ou de calcul. Par exemple, cela inclut de manière non limitatives les processeurs, les microprocesseurs, les puces SoC, les puces programmables de type FPGA et autres.
Comme cela est représenté sur la figure 1, le dispositif de commande d'alimentation 2 reçoit des données Ci et Ni d'une part et des données w d'autre part.
Les données Ci et Ni représentent respectivement des données de charge pour le calculateur 4, et des données d'échéance pour les données de charge.
Les données Ci et Ni sont reçues par le dispositif de commande d'alimentation 2 depuis une couche logique de plus haut niveau, par exemple depuis le système d'exploitation qui exploite le calculateur 4.
Les données w qui sont reçues par le dispositif de commande d'alimentation 2 représentent la vitesse de traitement opérationnelle du calculateur 4.
Cette vitesse de traitement opérationnelle est utilisée par le dispositif de commande d'alimentation 2 comme information de rétroaction pour éviter toute dérive par rapport aux consignes qu'il émet.
Le calculateur 4 peut être commandé en tension et en fréquence. En fait, le calculateur 4 peut opérer à différents niveaux de tension, à chaque niveau de tension correspondant une plage de fréquences opérationnelles possibles. Ce niveau de tension V_lvl et la fréquence opérationnelle f_op sont des sorties du dispositif de commande d'alimentation 2.
La vitesse de traitement (dont sont issues les données w) et la puissance consommée par le calculateur 4 découlent de la fréquence opérationnelle f_op utilisée ainsi que de la tension d'alimentation VJvI (ou niveau d'alimentation) du calculateur 4, comme cela a été vu avec l'équation 10.
Le calculateur 4 opère par cycles d'horloge commandés par la fréquence opérationnelle f_op. Le dispositif de commande d'alimentation 2 fonctionne de manière similaire.
Le dispositif de commande d'alimentation 2 fonctionne par période de temps Ts, chaque période correspondant à la durée entre deux calculs de commande successifs. La période Ts est d'une manière générale de l'ordre de plusieurs cycles d'horloge du calculateur 4.
En effet, il serait peu efficace de contrôler l'alimentation du calculateur 4 à chaque cycle d'horloge. Entre deux périodes, le dispositif de commande 2 émet les commandes de niveau de tension et de fréquence opérationnelles calculées à la période précédente.
La période Ts du dispositif de commande d'alimentation 2 peut être un paramètre fixe qui est choisi en fonction du calculateur 4.
Cette période peut aussi être adaptée dynamiquement, c'est-à-dire qu'elle peut être fixée à un multiple de la durée d'un cycle du calculateur 4. Dans l'exemple décrit ici, le multiplicateur a pour valeur '10' (dix). Cependant, cette valeur pourrait être fixée à des multiples supérieurs.
Ainsi, à chaque période de calcul, le dispositif de commande d'alimentation 2 analyse les données Ci, Ni, et w, et retourne en sortie les données f_op et V_lvl au calculateur 4.
On notera que, dans l'exemple décrit ici, le dispositif de commande d'alimentation 2 envoie des données de commande d'alimentation, et pas l' alimentation en elle-même. La partie du circuit chargée d'alimenter le calculateur 4 sur la base des données de commande issue du dispositif de commande d'alimentation 2 n'est pas abordée ici.
La figure 2 représente une boucle de fonctionnement du dispositif de commande d'alimentation 2. Comme on l'a vu plus haut, le dispositif de commande d'alimentation 2 fonctionne par périodes de calcul.
La boucle de fonctionnement du dispositif de commande d'alimentation 2 commence donc par une opération 20 dans laquelle les données Ci, Ni et w qui vont servir sont reçues.
Ensuite, dans une opération 30, le dispositif de commande d'alimentation 2 calcule une vitesse de référence w_ref.
Les travaux de la Demanderesse ont révélé que, pour minimiser la consommation d'énergie du calculateur 4 pour une charge de traitement donnée qui doit être réalisée dans une durée donnée, le paramètre de fonctionnement du calculateur 4 le plus crucial à contrôler est le niveau de tension. Ces travaux ont également révélé qu'il est dangereux de trop baisser la tension car il y a des risques de ne pas finir la charge de calcul à l' échéance.
Le dispositif de commande d'alimentation 2 va donc mettre en œuvre une commande dynamique de l'alimentation du calculateur 4 de manière à respecter les consignes suivantes : - finir la charge de calcul avant l'échéance, et minimiser au maximum la tension utilisée pendant ce calcul.
Pour cela, le dispositif de commande d'alimentation 2 commence à chaque période par calculer quelle est la vitesse de traitement « moyenne » que devrait avoir le calculateur 4 pour finir à l'échéance désignée par les données Ni la charge de calcul désignée par les données Ci. Ensuite, cette vitesse moyenne est optimisée d'un point de vue consommation énergétique pour obtenir une vitesse de référence w__ref .
La vitesse moyenne est ici appelée delta. Pour calculer la vitesse delta, il faut appliquer l'équation 20.
Comme le montre l'équation 20, la vitesse moyenne est la quantité de calcul qui reste à traiter, c'est-à-dire la charge tirée des données Ci moins la quantité de calcul qui a déjà été traitée, c'est-à-dire la somme des vitesses instantanées w reçues multipliées par le pas de temps du dispositif de commande d'alimentation 2, divisée par le temps Li qui reste avant l'échéance, qui est désignée par les données Ni.
De fait, l'équation 20 revient à écrire que la vitesse moyenne à avoir est la quantité de données à calculer moins la quantité déjà calculée, le tout divisé par le temps restant.
Les équations 30 et 32 montrent l'application de l'équation 20 au cas particulier du fonctionnement par périodes du dispositif d'alimentation 2.
Une fois cette vitesse moyenne calculée, le dispositif de commande d'alimentation 2 va déterminer la vitesse de référence w_ref .
Le principe de la vitesse de référence est de constater qu'il est avantageux de fonctionner à fréquence maximale pour un niveau de tension donné, pour pouvoir descendre de niveau de tension le plus tôt possible.
Ainsi, une fois la vitesse moyenne delta calculée, le dispositif de commande d'alimentation 2 détermine si cette vitesse correspond à la plage de fréquences du niveau de tension établi à la période précédente.
Si c'est le cas, il détermine si cette plage correspond au niveau de tension le plus bas. Si c'est le cas, alors w_ref reçoit delta. Sinon, alors w_ref reçoit la fréquence maximale de cette plage.
Si la vitesse delta ne correspond pas à la plage de fréquences du niveau de tension établi à la période précédente, le dispositif de commande d'alimentation 2 détermine le niveau de tension qui correspond à la vitesse moyenne delta.
Cela peut par exemple être fait par comparaisons successives de la vitesse moyenne delta avec la vitesse maximum de chaque niveau de tension décroissant à partir du niveau le plus haut.
Dans ce cas, le niveau de tension approprié est celui pour lequel la vitesse moyenne delta est juste inférieure à la vitesse maximum, et supérieure à la vitesse maximum du niveau de tension suivant.
Bien sûr, de nombreuses autres méthodes peuvent être mises en œuvre pour déterminer le niveau de tension auquel correspond la vitesse moyenne delta.
Une fois ce niveau de tension déterminé, le dispositif de commande d'alimentation 2 procède de manière identique à ce qui a été décrit ci-dessus pour calculer la valeur de la vitesse de référence w_ref.
Ensuite, dans une opération 40, le dispositif de commande d'alimentation 2 calcule la fréquence opérationnelle f_op qui correspond à la vitesse de référence w_ref, et en déduit le niveau de tension V_lvl correspondant.
Le calcul de la fréquence opération f_op à partir de la vitesse de référence w_ref permet de s'assurer que le calculateur 4 fonctionnera le minimum de temps possible à une tension élevée pour l'exécution de la charge de calcul désignée par les données Ci. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif de commande d'alimentation 2 utilise les données w pour calculer la fréquence opérationnelle f_op, en utilisant un système d'ordre 1, selon les équations 40 et 42.
L'équation 40 montre le calcul de « l'erreur » entre la vitesse de référence w_ref et la vitesse instantanée w reçue du calculateur 4, et l'équation 42 montre comment cette erreur est utilisée pour calculer la fréquence opérationnelle f_op du pas de temps suivant.
On notera que Ts représente la période du dispositif de commande d'alimentation 2, et K est un gain.
La figure 3 représente un mode de réalisation en variante du dispositif de commande d'alimentation 2.
Dans ce mode de réalisation, le calcul de la vitesse de référence w_ref est séparé de celui de la fréquence opérationnelle f_op et du niveau de tension V_lvl.
Le dispositif de commande d'alimentation 2 comporte ainsi une unité de calcul de vitesse de référence 6 et une unité de calcul de commande 8.
Comme cela apparaît sur les dessins, l'unité de calcul de vitesse de référence 6 reçoit les données Ci, Ni et w, et retourne la vitesse de référence w_ref.
Pour sa part, l'unité de calcul de commande 8 reçoit la vitesse de référence w_ref et les données w, et retourne en sortie les données de fréquence opérationnelle f_op et de niveau de tension V_lvl.
Dans l'exemple décrit ici, le calculateur 4 est commandé sur deux niveaux de tension, respectivement nommés VIo (le plus bas) et Vhi (le plus haut). Ici, la partie de l'opération 30 qui détermine la vitesse w_ref revient à comparer la vitesse moyenne delta à la valeur maximale de la fréquence pour le niveau de tension VIo. Si delta est supérieur à cette valeur, alors w_ref reçoit la valeur maximale de fréquence du niveau Vhi, et sinon w_ref reçoit delta.
Le fait de boucler les données w à la fois au niveau de l'unité de calcul de vitesse de référence 6 et au niveau de l'unité de calcul de commande 8 permet d'être plus efficace lorsque le nombre de cycles d'horloge utilisés par l'unité de calcul de vitesse de référence 6 pour déterminer la vitesse de référence w_ref est très élevé.
L'unité de calcul de commande 8 peut donc utiliser les données les plus récentes pour établir la fréquence opérationnelle f_op et le niveau de tension V_lvl, ce qui assure de meilleures performances.
Le dispositif de commande d'alimentation représenté sur la figure 4 représente une variante du dispositif de la figure 3 dans lequel les données w sont uniquement reçues par l'unité de calcul de vitesse de référence 6, et sont transmises à l'unité de calcul de commande 8.
Ce mode de réalisation est potentiellement moins performant car l'unité de calcul de commande 8 peut fonctionner avec des données w un peu moins récentes que dans le cas de la figure 3. Cependant, ce mode de réalisation présente l'avantage d'être plus simple à fabriquer et à mettre en œuvre.
Le dispositif de commande d'alimentation représenté sur la figure 5 représente une variante encore plus simplifiée du dispositif de commande de la figure 3, dans lequel les données de vitesse instantanée w ne sont transmises qu'à l'unité de calcul de vitesse de référence 6, l'unité de calcul de commande 8 ne recevant ici que les données de vitesse de référence w_ref. Dans ce cas, l'opération 40 est simplifiée grandement, puisque la fréquence opérationnelle f_op est fixée avec la valeur w_ref, et le niveau de tension V_lvl directement déduit de cette valeur.
Ce mode de réalisation offre des performances encore un peu plus faibles en termes énergétiques. En revanche, il permet une fabrication et une mise en œuvre d'une simplicité remarquable.
Le mode de réalisation représenté sur la figure 6 est une variante dans laquelle seule l'unité de calcul de commande 8 reçoit les données de vitesse instantanée w.
Dans ce cas, l'unité de calcul de vitesse de référence 6 ne reçoit que les données de vitesse de référence w_ref qu'elle a précédemment calculé.
Pour éviter toute dérive, le calcul de la fréquence opérationnelle f_op de l'opération 40 mise en œuvre par l'unité de calcul de commande 8 est rendu plus robuste, avec l'emploi d'un système d'ordre 2.
Pour cela, une première erreur est calculée selon la formule 50, et cette erreur est intégrée sur la période de l'unité de calcul de vitesse de référence 6 selon la formule 52.
Ensuite, la fréquence opérationnelle f_op est déterminée au moyen de la formule 54, dans laquelle τ représente la constante de temps du système une fois bouclé, et K est le gain.
La figure 7 représente un dispositif 2 adapté à la commande d'un calculateur 14 qui comprend plusieurs cœurs. Cela signifie que, au sein du calculateur 14, celui-ci renferme dans l'exemple décrit quatre unités de calcul semblables au calculateur 4 pouvant être adressées de manière indépendante. Le calculateur 14 pourra dans d'autres modes de réalisations comprendre autant de cœurs que nécessaires, c'est-à-dire au moins deux et plus que quatre, par exemple 32 ou plus.
Dans ce cadre, un problème d'alimentation encore plus aigu se pose. En effet, il n'est pas raisonnable d'alimenter chaque cœur du calculateur 14 chacun avec un couple niveau de tension/fréquence qui lui est propre.
Il n'est donc pas envisageable de simplement répliquer l'architecture de base autant de fois qu'il y a de cœurs dans le calculateur 14.
Une première approche pour résoudre ce problème est de chercher un niveau de tension et de fréquence qui constitue un "consensus". Cependant, cela n'est pas acceptable, car une tâche critique ne peut alors pas être exécutée à temps.
Une deuxième approche est alors de faire fonctionner tous les cœurs au niveau de tension et à la fréquence de la tâche la plus critique. Cependant, cela a tendance à anéantir les gains énergétiques.
La Demanderesse a établi un compromis entre ces deux solutions.
Pour cela, un limiteur 10 est introduit dans le dispositif 2. Le limiteur 10 a pour fonction de calculer pour chaque cœur le ratio entre la fréquence de la tâche la plus critique de toutes les tâches et la fréquence que ce cœur devrait utiliser pour mettre en œuvre sa tâche dans le cas mono-cœur.
Au niveau du calculateur 14, les ratios déterminés par le limiteur 10 sont utilisés pour que chaque cœur réalise sa tâche à une vitesse qui correspond sensiblement à celle qu'il aurait utilisée dans le cas mono-cœur.
Pour cela, le calculateur 14 peut intégrer une solution matérielle par le biais d'une électronique spécifique qui suspend l'horloge des nœuds 4 du calculateur 14. Ainsi, chaque cœur fonctionne comme en mode mono-cœur, mais à un niveau de tension qui peut être plus élevé (cela dépend de la tâche critique).
Cette électronique (appelée "clock-gating" ou "pause d'horloge") permet la transmission ou la non transmission des fronts d'horloge aux différents nœuds 4 du calculateur 14 et peut être réalisée par exemple à l'aide d'une porte ET.
En variante, l'électronique peut être remplacée par une solution logicielle. Ainsi, plutôt que de moduler la fréquence de chaque cœur, on va les "endormir" sélectivement, de sorte que sur une quantité importante de cycles, chaque cœur réalise sa tâche à une vitesse qui correspond sensiblement à celle qu'il aurait utilisée dans le cas mono-cœur.
Cela est réalisé par l'ajout d'instructions au fil de l'eau appelées "No Op", c'est-à-dire des requêtes qui demandent au cœur concerné de ne rien faire.
Cette variante présente l'avantage d'être plus évolutive, car logicielle. Cela signifie qu'une mise à jour du microprogramme permettrait de la faire évoluer.
Cependant, elle est moins avantageuse car elle limite la modulation de fréquence à une fraction de la fréquence de fonctionnement : un demi (un No Op pour chaque opération), un tiers (deux No Ops pour chaque opération), un quart (trois No Ops pour chaque opération), etc.
II reste possible de sophistiquer cette dernière solution pour obtenir n'importe quel nombre rationnel, mais alors les gains en termes de simplification d'architecture sont réduits.
Dans le mode de réalisation décrit sur la figure 7, le calcul de vitesse de référence 6 et l'unité de calcul de commande 8 sont répliquées autant de fois qu'il y a de cœurs. Il en résulte que les données de vitesses instantanées sont un multiplet w_m et les données de vitesse de référence w_m_ref sont également un multiplet. En sortie, l'unité de calcul de commande 8 émet un multiplet de fréquences f_m et un multiplet de niveaux de tension V_m.
Le limiteur 10 est disposé en sortie de l'unité de calcul de commande 8. Il reçoit donc le multiplet de fréquence f_m et le multiplet de niveaux de tension V_m.
Dans un premier temps, le limiteur 10 va comparer toutes les fréquences du multiplet f_m et sélectionne la plus élevée. Cette fréquence sera transmise comme consigne f_op au calculateur 14 et le cœur correspondant est appelé cœur critique.
Ensuite, le limiteur 10 sélectionne le niveau de tension du multiplet V_m qui correspond au cœur critique désigné précédemment. Ce niveau de tension sera transmis comme consigne V_lvl au calculateur 14.
Enfin, le limiteur 10 calcule un multiplet rat_m qui contient le ratio entre chacune des fréquences du multiplet f_m et la fréquence f_op.
Dans le cas où c'est la solution logicielle qui est retenue pour abaisser la fréquence des cœurs, il conviendra d'appliquer le ratio qui assure la finition de la tâche, même s'il est moins favorable énergétiquement.
Ainsi, si on trouve un ratio supérieur à deux mais inférieur à trois, il faudra choisir un ratio de Vz.
Par ailleurs, il est important que les fréquences des différents blocs soient bien synchronisées. En effet, comme la baisse de fréquence des cœurs est obtenue par ajout d'instructions fictives, il ne faut pas que les consignes soient mises à jour trop souvent ou trop lentement.
La Demanderesse a identifié qu'un ordre de grandeur de l'ordre de 1000 est avantageux dans le cadre de l'invention. Ainsi, le système qui commande les tâches envoyées au calculateur opérera avec une fréquence de l'ordre de IkHz, le dispositif de commande de l'invention opérera avec une fréquence de l'ordre de IMHz, et le calculateur à proprement parler opérera avec une fréquence de l'ordre de IGHz.
Cependant, d'autres ordres de grandeur peuvent être utilisés en fonction des délais accordés pour traiter les tâches, par exemple 10, 100, ou plus de 1000.
On comprend bien au vu de ce qui précède que l'invention concerne la mise en œuvre d'une commande d'alimentation d'un système électronique qui effectue des calculs.
Dans les exemples décrits, cette commande est rendue dynamique et adaptative grâce à l'utilisation de systèmes d'ordres 1 et 2. Par système d'ordres 1 et 2, on entend un système dont la fonction qui réalise le calcul de la commande comprend un polynôme dont le monôme de plus haut degré est 1 ou 2. Des systèmes d'ordre supérieur pourraient également être utilisés.
En outre, le dispositif de commande d'alimentation 2 a été décrit ici comme un élément externe aux calculateurs 4 et 14, et distincts de celui-ci. Cela signifie que les calculs qui sont mis en œuvre pour calculer la commande d'alimentation ne sont pas réalisés au sein du calculateur.
Cependant, dans certaines applications, le dispositif de commande d'alimentation 2 pourrait être intégré au calculateur, et la mise en œuvre des calculs de la commande d'alimentation pourraient alors être réalisés par le calculateur 4 ou 14, la commande tenant compte de cette surcharge de calcul.
En outre, la Demanderesse a décrit un dispositif de commande d'alimentation dans lequel le calculateur peut être alimenté sur plusieurs niveaux. Un exemple particulier a été décrit pour une alimentation à deux niveaux de tension. Dans ces exemples, pour déterminer un niveau de tension approprié pour la vitesse moyenne delta, il est décrit une boucle de montée/descente de niveau de tension pour déterminer la plage de fréquences adaptée.
D'autres méthodes pourraient être mises en œuvre, comme le stockage d'une table des plages de fréquences par niveau de tension, et l'accès à cette table pour en tirer le niveau de tension adapté.
Enfin, la Demanderesse a décrit un dispositif dans lequel la fréquence opérationnelle est calculée de manière continue. Il serait néanmoins possible d'appliquer ce qui précède pour fonctionner en fréquence discrète.
Il s'agit alors de déterminer un niveau de fréquence au lieu d'une valeur de fréquence continue, de manière similaire à ce qui a été décrit pour le calcul du niveau de tension. Dans ce cas, le contrôleur 2 peut être simplifié pour ne plus contenir qu'un seul bloc de calcul des niveaux de fréquence et de tension, c'est-à-dire que les unités 6 et 8 peuvent être fusionnées.
Figure imgf000018_0001

Claims

Revendications
1. Dispositif de commande d'un calculateur (4) propre à être alimenté sur plusieurs niveaux de tension, comprenant un contrôleur (2) agencé pour recevoir des données de charge (Ci), d'échéance (Ni), et de vitesse instantanée (w) pour ledit calculateur (4), pour calculer une vitesse de référence (w_ref) qui permet audit calculateur d'exécuter une quantité de calculs tirée des données de charge (Ci) dans une durée tirée des données d'échéance (Ni), et pour calculer un niveau de tension (V_lvl) et une fréquence opérationnelle (f_op) de commande pour ledit calculateur à partir de la vitesse de référence, au moins un élément parmi la vitesse de référence (w_ref) et la fréquence opérationnelle (f_op) étant calculé à partir des données de vitesse instantanée (w).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le contrôleur comprend une unité de calcul de vitesse de référence (6) pour calculer la vitesse de référence et une unité de calcul de commande pour calculer la fréquence opérationnelle et le niveau de tension.
3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant en outre un limiteur (10), le calculateur (14) comprenant plusieurs cœurs (4), dans lequel le limiteur (10) détermine la vitesse de référence (w_ref) pour celui des cœurs qui présente la tâche la plus critique, ainsi qu'un multiplet de ratios de fréquence pour l'exécution des tâches des autres cœurs du calculateur (14).
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le limiteur (10) est disposé entre l'unité de calcul de vitesse de référence (6) et l'unité de calcul de commande (8).
5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le limiteur (10) est disposé en aval de l'unité de calcul de commande (8).
6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel l'unité de calcul de commande (8) calcule la fréquence opérationnelle (f_op) à partir des données de vitesse instantanée (w) avec un système d'ordre 1.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'unité de calcul de vitesse de référence (6) calcule la vitesse de référence (w_ref) à partir des données de vitesse instantanée (w).
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les données de vitesse instantanée (w) sont transmises à l'unité de calcul de commande (8) par l'unité de calcul de vitesse de référence (6).
9. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel l'unité de calcul de commande (8) calcule la fréquence opérationnelle (f_op) à partir des données de vitesse instantanée (w) avec un système d'ordre 2
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