适应于动态电压频率调整的抗辐照SRAM设计

动态电压频率调整(Dynamic Voltage Frequency Scaling,DVFS)可以使系统在高电压工作时获得高性能,在低电压工作时降低系统功耗,它要求电路能够从正常电压一直到亚阈值区范围内均能正常工作.抗辐照DVFSSRAM的设计面临着低压工作稳定性及工艺、电压、温度偏差(Process,Voltage,Temperature,PVT)的严重影响.本文针对以上问题,设计了一款适应于DVFS应用的抗辐照静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM).提出了新型抗辐照DICE单元结构,其读噪声容限相对于原有DICE单元有大幅提升.同时,针对常规分级位线结构时序控制电路存在的问题,提出了改进型复制列技术,增强了SRAM存储体在不同PVT环境下工作的稳定性.对SRAM存储体进行了电路设计及版图设计,后仿真结果表明,设计的512bit SRAM存储体可在0.6V^1.8V电源电压下正常工作.在1.8V下,SRAM的存取速度为5.1ns,功耗为1.8mW;在0.6V电压下,SRAM的存取速度为93.5ns,功耗为14.63μW,比1.8 V电源工作时的功耗降低了约100倍.另外,设计的SRAM对宽度为300ps以下的单粒子瞬态脉冲具有滤除能力,对单粒子翻转效应有良好的抵抗能力.

供应三维芯片的电源与频率信号稳定调整机制之设计

本论文设计是结合3D IC的电源质量量测、电源管理机制技术与频率供给管理机制并进行芯片验证。为了精确的评估所产生的电源问题,我们需设计了一个内嵌式的电压量测设计(Built-In Voltage Measurement- BIVM)来量测电压准位,了解电压降的情形,将电压降的情形侦测后再以数字方式来控制电源开关,以便调节电压准位,以稳定电压供应,来做电源质量管理。我们利用控制PMOS的Power Switch Module (PSM)的开启程度来调节电压,更利用电源压降量测电路进行回授控制电源管理机制,同时调节电源供应与频率供给,如此不只可以让使用者了解当时的电源压降外,还可以让电路自行调节到稳定的状态,并达到减少多核心或3D IC功率消耗的目的。

基于TrustZone硬件隔离技术的CLKScrew攻击防护研究

随着信息技术的迅猛发展,嵌入式系统中的安全性问题日益受到关注。本文针对嵌入式平台中动态电压频率调整技术存在的安全漏洞,基于高级精简指令集机器的TrustZone硬件隔离技术设计并实现了一种可信执行环境(TEE),利用TrustZone技术实现了TEE与普通执行环境操作系统间的切换。该环境能够有效抵御CLKScrew攻击,即通过多次调整中央处理器(CPU)线程工作频率来触发嵌入式平台的运行错误。实验结果表明,在该可信执行环境中,即使面临CLK⁃Screw攻击,CPU线程仍能正常工作,确保了系统的安全性。

系统级能耗优化的实时电压调度方法研究

如何在满足实时性要求的前提下尽可能降低系统能耗,已成为目前实时系统设计面临的新挑战。针对动态优先级节能调度研究存储器操作的系统级能耗优化问题。通过设计线性整数规划模型提出了实现离线节能调度的SYS-SEDF算法,并分析临界频率及其计算方法,进而提出了应用于在线节能调度的SYS-CCEDF算法和SYS-LAEDF算法。实验表明,SYS-DVS系列算法可较好地降低系统级能耗。

嵌入式多核多任务实时DVFS调度方法仿真

嵌入式设备在调度多核多任务时,由于引入的处理器数量增多,导致调度效率低,以及能耗大等问题。基于此,提出基于实时动态电压频率调整(Dynamic voltage and frequency scaling,DVFS)的嵌入式多核多任务调度算法。构建嵌入式多核多任务能耗模型,得到不同情况下设备的能量消耗情况;建立多核多任务调度数学模型,在策略集合中找到合适的调度策略,保持时间值始终为最小;利用多核多任务调度算法机制,通过计算嵌入式设备中各个处理核的潜在负载能力,找出与预期负载最接近的处理核,并将任务分配到该任务核中,实现多核多任务的合理调度。实验结果表明,所提方法的调度效率高,且能量消耗低于3.5mW。

功耗受限情况下多核处理器能效优化方案

将处理器功耗控制在预算以下有助于降低散热成本和提升系统稳定性,但现有功耗优化方案大多依赖线下分析得到的先验知识,影响实用性,而集中式搜索最优策略的算法也存在复杂度过高的问题。为此,提出功耗优化方案PPCM。利用动态电压频率调整(DVFS)技术控制CPU功耗在预算内以提高处理器能效。同时,将功耗控制和功耗分配解耦合以提高灵活性。采用动态调整的线性模型估计功耗,通过反馈控制技术对其进行调节。以计算访存比为指标在应用间分配功耗,并考虑多线程应用特征进行线程间功耗分配。实验结果表明,PPCM比Priority算法速度平均提高10.7%,能耗平均降低5.1%,能量-延迟积平均降低14.3%。与PCM CA算法相比,其速度平均提高4.5%,能量-延迟积平均降低5.0%。

基于CPUfreq的DVFS节能技术的研究与实现

针对目前计算机系统普遍存在的功耗较大的问题,研究和实现了基于CPUfreq的DVFS节能软件;首先,分析和比较了计算机系统现有主要的功耗管理框架;然后,阐述了CPUfreq子系统及其框架结构,并基于CPUfreq子系统开发了DVFS节能软件,实现了对计算机CPU的动态电压频率调节(DVFS);最后,以720p视频播放为应用实例,对使用DVFS节能软件后的计算机系统进行功耗测试;测试结果表明,DVFS节能软件可以实现对以PC为代表的计算机系统的初步节能。

温度约束多核处理器最大稳态吞吐量分析

随着多核处理器功耗密度的不断增大,温度约束条件下的性能分析已经成为多核处理器早期设计优化的重要组成部分.当处理器运行不同的任务时,处理器温度具有很大的差异性,但现有研究成果并没有考虑任务差异性对处理器性能的影响.针对采用动态频率电压调节作为温度管理技术的多核处理器,为了提高在温度约束条件下稳态吞吐量的分析准确性,考虑不同任务之间的差异性,提出一种新的最大吞吐量分析方法.将任务特征引入性能分析模型,论证了当多核处理器吞吐量达到最大值时各处理器核上任务特征之间的关系,将最大稳态吞吐量分析归结为线性规划问题.仿真实验结果表明,所提方法具有较好的分析准确性,任务特征对多核处理器最大吞吐量具有非常大的影响.

非对称多核处理器上的操作系统集成调度

相对于对称多核处理器,非对称多核处理器具有更高的效能,将成为未来并行操作系统中的主流体系结构.对于非对称多核处理器上操作系统的并行任务调度问题,现有的研究假设所有核心频率恒定,缺乏理论分析,也没有考虑算法的效能和通用性.针对该问题,该文首先建立非线性规划模型,分析得出全面考虑并行任务同步特性、核心非对称性以及核心负载的调度原则.然后,基于调度原则提出一个集成调度算法,该算法通过集成线程调度和动态电压频率调整来提高效能,并通过参数调整机制实现了算法的通用性.提出的算法是第一个在非对称多核处理器上结合线程调度和动态电压频率调整的调度算法.实际平台上的实验表明:该算法可适用于多种环境,且效能比其他同类算法高24%～50%.

基于异构多核处理器的DVFS技术研究

随着半导体技术的发展,异构多核处理器的应用越来越广泛。低功耗是异构多核系统设计的主要任务之一。作为低功耗技术主流的DVFS技术,在同构多核系统中有着广泛应用,是当前研究的热点,但其在异构多核系统中的研究尚不成熟。因此,分别介绍异构多核处理器功耗模型与DVFS技术的基本原理和研究现状,调研近年来实时异构多核系统中基于DVFS技术的低功耗算法,并对各种算法进行分析。最后,根据当前的研究状况,指出该领域面临的挑战和未来的研究方向。

用于DVFS片上系统的全数字SARDLL设计

针对动态电压/频率调整系统芯片中时钟同步问题,设计一个具有宽工作频率范围和固定锁定周期的快速锁定全数字逐次逼近延时锁定环,采用改进的可复位数字控制延时线方法,在减小面积和提高最高工作频率的同时,有效地解决传统全数字逐次逼近延时锁定环的谐波锁定和零延时陷阱问题。整个延时锁定环采用TSMC-65 nm CM OS工艺标准单元库实现,仿真结果表明,在典型工艺角和25℃情况下,工作频率范围为250 M Hz^2 GHz,锁定时间为固定的18个输入时钟周期,当电源电压为1.2 V、输入时钟频率为2 GHz时,功耗为0.4 m W。

混合关键性系统寿命优化的任务调度算法

为延长混合关键性系统的设备寿命,考虑瞬时性、永久性2种故障并采取容错方案满足安全需求,提出一种两阶段解决方案。利用动态电压频率调整技术为每个任务确定运行频率,确保热循环对设备寿命的损害最小。使用重执行技术,在可靠性约束和可调度性约束下对设备寿命进行分析,构建一个多目标非线性规划问题,从而得到最优解。仿真结果表明,与RAND、MFPR、MRPF、DPAS 4种算法相比,该算法在保证系统可调度与可靠性的前提下,可使系统寿命最多延长47%。

一种在线节能实时调度算法

随着多处理器系统规模的不断扩大,如何节能成为一个亟待解决的重要问题。为此,基于多处理器系统提出一种针对随机任务的在线节能实时调度算法。使用统计方法,根据已有任务的到达时间和计算量估计新任务在空闲处理器上执行的电压/频率,使还未到达的任务能够满足截止期限并有效节能。在考虑单个处理器上执行的任务时,计算执行这些任务所需的平均电压/频率,使所有任务的执行速度尽量均衡,当某些任务不能满足截止期限要求时,则调高未执行任务的电压/频率。实验结果表明,与EDF,HVEA,MEG和ME-MC算法相比,该算法在满足截止期限和节能方面具有明显的优势。

面向可信嵌入式系统的随机实时任务能耗优化

针对可信嵌入式系统应用中将任务的最坏情况下的执行时间(WCET)作为任务的实际执行时间,导致系统资源的极大浪费的问题,提出了一种基于随机任务概率模型的方法。首先,考虑任务执行时间具有特定概率分布,并且任务具有不错过其死限的概率(NDVP)需求,同时考虑了动态电压和频率调整(DVFS)对系统可靠性的影响,利用该技术降低能耗。然后,基于动态规划算法,提出了一种具有多项式运行时间的优化算法,并进一步设计了状态剔除规则降低算法运行开销。仿真表明,所提算法与最坏执行时间模型下的最优算法相比,系统能耗降低了30%以上。实验结果表明,考虑任务的随机执行时间能在保证系统可靠性的同时大大节约系统资源。