Efficient modelling of CPU thermal and performance control via power replay

Modern computing systems employ multiple layers of thermal management, ranging from DVFS-based control at the CPU level to the optimization of cooling infrastructure at the data-centre scale. As processor performance continues to increase, the first line of defence, namely on-chip thermal policies, becomes increasingly critical, influencing the behaviour of all upper control layers. A careful and systematic evaluation of such policies is therefore necessary. While cycle-accurate architectural simulators combined with benchmark workloads could in principle enable this analysis, their computational cost is often prohibitive. In this work, we propose an alternative and practically viable methodology: power traces from target applications are first collected under controlled, fixed-frequency conditions and subsequently ``replayed'' under dynamically varying frequencies dictated by the policy under investigation, using only a thermal model of the CPU and the relevant portion of its cooling environment. We validate the approach experimentally, demonstrating its suitability for the design and assessment of thermal management strategies.

I sistemi di computazione moderni sono soggetti a molteplici livelli di gestione termica, che spaziano dal controllo basato su DVFS a livello di CPU fino all'infrastruttura di raffreddamento a livello di data centre. Con l’aumento della potenza di calcolo dei processori, la prima linea di difesa, ovvero le politiche termiche on-chip, assume un ruolo sempre più cruciale e influenza direttamente il comportamento dei livelli di controllo superiori. È pertanto necessaria una valutazione accurata e sistematica di tali politiche. Sebbene simulazioni architetturali cycle-accurate combinate con benchmark applicativi possano teoricamente fornire questo tipo di analisi, il loro costo computazionale risulta spesso proibitivo. In questo lavoro proponiamo un metodo alternativo, pratico ed efficiente: le tracce di potenza delle applicazioni vengono prima acquisite in condizioni controllate a frequenza fissa e successivamente ``ri-eseguite'' con frequenza variabile secondo la politica in esame, impiegando unicamente un modello termico della CPU e della porzione rilevante del suo sistema di raffreddamento. Validiamo sperimentalmente il metodo, mostrando la sua efficacia per la progettazione e la valutazione di strategie di gestione termica.