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Temperature- Power Consumption Relationship and Hot-spot Migration for FPGA- based System. Xun Zhang, Pierre Leray SUPELEC/IETR, Rennes, France Signal, Communication and Embedded Electronics Team. supported by Motorola Foundation. Outline. Context & Motivation - PowerPoint PPT Presentation
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Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 1Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
Temperature-Power Consumption Relationship and Hot-spot Migration
forFPGA-based System
Xun Zhang, Pierre LeraySUPELEC/IETR, Rennes, France
Signal, Communication and Embedded Electronics Team
supported by Motorola Foundation
Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 2Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
Outline
1. Context & Motivation2. Power consumption & temperature 3. Die temperature measurement 4. Architectural changes5. Future Works
Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 3Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
Outline
1. Context & Motivation2. Power consumption & temperature 3. Die temperature measurement 4. Architectural changes5. Future Works
Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 4Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
3% of the world-wide energy is consumed by the ICT infrastructure which causes about 2% of the world-wide CO2 emissions [1]
ICT carbon footprint is comparable to the world-wide CO2 emissions by airplanes or one quarter of the world-wide CO2 emissions by cars.
[1] http://www.cwc.oulu.fi/workshops/W-Green2008.pdf
Context & Motivation (1)
CO2 reduction at two levels: To reduce the ICT emission itself Use ICT to reduce emission of other human activities (transport, tele-
working, e-commerce,…..)
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Context & Motivation (2)
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Influence from CR environments
!
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# $ % !
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Outline
1. Context & Motivation2. Power consumption & temperature 3. Die temperature measurement 4. Architectural changes5. Future Works
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Power Dissipation
Minimize Ileak by:– Reducing operating
voltage– Fewer leaking
transistors– Reduce transistor
leakage
Minimize Iswitch by:– Reducing operating
voltage– Less switching cap– Less switching activity
Total Power Dissipation
Dynamic PowerDissipation
Static PowerDissipation
dtfCVIVEt
cDDleakDD )(0
2
t
leakDD dtIV0
Total PowerDissipation
Switching PowerDissipation
Leakage PowerDissipation
t
cDD dtfCV0
2
Ileak
Iswitch
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Dynamic Power dissipation
• Dynamic power– Average dynamic power (logic gate)
fVCP DDLdynamic 2
21
i
igatewirediffL CCCC ,
Dynamic power is relatively insensitive to temperature
Cgate,i
Cwire Cdi
ff
α CL: load capacitance α: switching activity f: system frequency
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Static Power Dissipation(cont.)
• Static power– Leakage components
• Sub-threshold leakage (Isub) • Gate direct-tunneling leakage (Igate)
)( subgateDDleakDDstatic IIVIVP
Gate
DrainSourceIsub
Igate
Static power relates directly to temperature
nkTVVq
sldsubthresho
thGS
eqkT
LWAI
)(
))((
)1)((2)( oxoxox VcVbaBT
ox
auxgnt
ox
oxrJgate e
TVV
TTWLAI
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Effect of Die temperature
• Lifetime – Exponential degradation
• Static power– Exponential increase
• Circuit delay
Simulation on Virtex-5 FPGA plate-formMTTF vs Junction temperature
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Outline
1. Context & Motivation2. Power consumption & temperature 3. Die temperature measurement 4. Architectural changes5. Future Works
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0 200 400 600 800 1000 1200
30
35
40
45
50
38°C
40°C
Tem
pera
ture
(°C
)
Time (s)
Processing periode : 100 s Processing periode : 50 s
Power (W) Periode 100 s Periode 50 sStatic Power 6,072 6,092Total power 7,028 6,988
46°C
48°C
Temperature and Power consumption
Max. Temp. is produced during running time
Max.Temp. determines cooling system’s performance
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Ring-oscillatorT’=2Nτ’
T=2Nτ τ =T(N/2C)/K
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• Easy to place• Low power consumption• Few logic resource
Thermal identification
Matlab
∑2Nτ
51-inverter ring oscillator
2^14
100 MHz
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Impact of temperatureTotal FPGA die temperature
Local peak temperature
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Local thermal characteristic (1)
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temperature on different sensor position
Local heat propriety
Local thermal characteristic (2)
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Local thermal characteristic (3)
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Local thermal characteristic (4)
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Dynamically Architectural changes…
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Hots-pot migration
Two identify PEs;
Alternate function on different switching frequencies;
1 Hz, ½ Hz, and 1/3 Hz
Thermal sensor placement;
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Result
0 100 20026
28
30
32
34
36
38
40
42av
erag
e te
mpe
ratu
re
time
RPD 1Hz without RPD
0 20 40 60 80 10024
26
28
30
32
34
36
38
40
42Te
mep
ratu
re(°
C)
Time(s)
Without DPR DPR 1/3 Hz DPR 1/2 Hz DPR 1 Hz
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0 50 100 15027000
28000
29000
30000
31000
32000
33000
34000
35000
Cou
nter
val
ue
Time
without RPD RPD 1Hz/2 RPD 1Hz I
Thermal sensor value
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summary
• Thermal sensor design and implementation
• Temperature-Power relationship studying
• Possibility to reduce Hotspot effect by using Dynamic Partial Reconfiguration
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Outline
1. Context & Motivation2. Power consumption & temperature 3. Die temperature measurement 4. Architectural changes5. Future Works
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Thermal management for SoC Design
Thermal information helps to build a thermal modelling location working frequency power consumption ….
Time
T °C
T0
Max. Tempera
ture
Configuratio
n contra
int
Configuration rate =f(T0, Pconfig)
Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 28Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
Software management policiesHardware management policies
Thermal management for SoC Design
Dynamic time part: make a decision to apply one of the predefined sets found in part one. For required system performance and power economics; make a decision to choose a location to apply hotspot migration
Design-time part: Optimal set of frequencies, parallelism levels for the PE for different working condition
Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 29Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
Future work
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Hierarchical configuration scenario for homogenous MP area
PE1
Thermal Sensor
C2
BusyT
PE2
Thermal Sensor
C2
BusyT
PE3
Thermal Sensor
C2
BusyT
PE4
Thermal Sensor
C2
BusyT
C1
Migrating Hotspot Guarantee performance Easily to identify PE location with NoC Overhead of configuration
Circuit Parameters : Frequency, voltage, ... The most efficient solution Decease performance
Ring topology
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Configuration scenario
Valve of hotspot migrating process – Free choosing at alarm level e.g.: T(1..0)=11– Interrupts function and copy date from
the queue – Locally makes decision without
communication with central controller– Add updated status of cluster to central
controller
Cluster 1
Cluster k
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Exemple of queue of thermal information
• Thermal sensor checks remarkable temperature information and sent alarm info with computing data
IDComputing date T(1..0)
T(1..0) Temperature status00 idle
01 lowest occupy10 middle occupy11 Hotspot
ID_ClusterID_PE
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• Thermal issues in FPGAs will grow as more and more hard blocks are added to the FPGA fabric;
• A reduction of few degrees in die temperature could have a high impact on the lifetime, reliability and leakage power of the device, but also cooling system;
• Our Digital thermal sensor has shown a flexibility solution to identify local thermal propriety;
• Potential ability to use Dynamic Partial Reconfiguration;• Tutorial : thermal sensor implementation;
Summary
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Thank you for your attension?
Green Workshop – 06 November 2009IETR - INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNESUne grande école d’ingénieurs au cœur des sciences de l’information, de l’énergie et des systèmes 35Xun ZHANG, Séminaire 18.nov. 2010
Detailed configuration scenario
• C2: response hot alarm from PE (operator) and check situation of the others PE in the same cluster.
• Give an order to do hotspot migrating inside cluster• Require hotspot at higher level
• C1: started by requirement of C2. Check situation of the others cluster in the system
• Decide hotspot migrating between cluster (entire cluster)• Require circuit parameters modification at the highest level
C0: started by requirement of C1• Partial Frequency scaling or others strategies
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Configuration process
IDComputing date T(1..0)
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Future works
• Configuration scenario development • Comparing with others methods