Event-based power-performance-thermal management with task migration in high-power CPUs

The present thesis is part of a long-term research activity aimed to define a new event-based control technique which integrates thermal/power/performance management in high-power microprocessors. The specific target of this work is to extend the researches made on the single-core case to the multi-core one admitting per-core DVFS (Dynamic Voltage Frequency Scaling) through the development of a novel Modelica library. This library should contain all blocks necessary to have flexible and modular models for multi-core microprocessors with the related documentation. Due to the technological scaling the thermal issues are more and more relevant for microprocessors. Moreover to face the needs of future multi-core architectures thermal and power management are both required and cannot be separated. The main difference between the multi-core case and the single-core one is not from the cores thermal coupling point of view, that is very light, but from the actuation point of view. With a single-core, as it was observed in many papers, the unique possible actuation to slow down the system is usually to decrease the frequency. Instead in multi-core microprocessors it is also possible to consider to move a task from a core to another one. For these reasons a three-dimensional uniform core model and a power generation representation mechanism through core-level schedulers, based on a truncated normal noise and on the need to model the task migration, have been developed. An accurate technique checking the cores thermal situations is then presented in order to have a criteria that allows to perform the task migration decisions. The final control strategy is obtained exploiting a centralized task migration approach in conjunction with decentralized event-based controllers. The task migration strategy allows to manage the thermal stress distribution among the cores, while the event-based controllers solve reactively the thermal problems acting on a millisecond-timescale. Thanks to the decentralized event-based control, the task migration is needed only sporadically. The proposed event-based task migration strategy is characterized by a tunable computational effort, as a result of the possibility to manage the number/frequency of migration events. Simulation tests are finally performed in order to highlight the advantages of the control approach applied and of the proposed task migration policy.

La presente tesi fa parte di un'attività di ricerca a lungo termine volta a definire una nuova tecnica di controllo a eventi per la gestione integrata di temperatura/potenza/prestazioni nei microprocessori ad alta potenza. L'obiettivo specifico di questo lavoro è estendere le ricerche fatte sul caso single-core a quello multi-core ammettendo per-core DVFS (Dynamic Voltage Frequency Scaling) attraverso lo sviluppo di una nuova libreria Modelica. Questa libreria dovrebbe contenere tutti i blocchi necessari per avere modelli flessibili e modulari per microprocessori multi-core con la relativa documentazione. A causa del ridimensionamento tecnologico, le problematiche termiche sono sempre più rilevanti per i microprocessori. Inoltre, per far fronte alle esigenze delle future architetture multi-core, la gestione termica e di potenza sono entrambe richieste e non possono essere separate. La differenza principale tra il caso multi-core e quello single-core non è dal punto di vista dell'accoppiamento termico dei core, che è molto leggero, ma dal punto di vista dell'attuazione. Con un single-core, come è stato osservato in molti articoli, l'unica attuazione possibile per rallentare il sistema è solitamente quella di diminuire la frequenza. Invece nei microprocessori multi-core è anche possibile considerare di spostare un'attività da un core ad un altro. Per questi motivi, un modello uniforme e tridimensionale del core ed un meccanismo, basato su un rumore normale troncato e sulla necessità di modellare la migrazione delle attività, di rappresentazione della generazione di potenza attraverso schedulatori a livello dei core sono stati sviluppati. Viene presentata in seguito una tecnica accurata che verifica le situazioni termiche dei core al fine di disporre di un criterio che consenta di eseguire le decisioni di migrazione delle attività. La strategia di controllo finale è ottenuta sfruttando un approccio centralizzato di migrazione delle attività in combinazione con controllori a eventi decentralizzati. La strategia di migrazione delle attività consente di gestire la distribuzione dello stress termico tra i core, mentre i controllori a eventi risolvono reattivamente i problemi termici che agiscono in un intervallo di millisecondi. Grazie al controllo decentralizzato basato sugli eventi, la migrazione delle attività è necessaria solo sporadicamente. La strategia di migrazione delle attività a eventi proposta è caratterizzata da uno sforzo computazionale tarabile, come risultato della possibilità di gestire il numero / frequenza degli eventi di migrazione. I test di simulazione vengono infine eseguiti per mettere in evidenza i vantaggi dell'approccio di controllo applicato e della politica di migrazione delle attività proposta.