KR20050071739A - 누설 전력을 줄이기 위한 마이크로프로세서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실행 유닛 또는 재구성 가능 셀들의 누설 전력을 줄이기 위한 파이프라인 구조의 마이크로프로세서에 관한 것으로, 더 자세하게는 실행 유닛 또는 재구성 가능 셀들의 온도와 관련하여 발생되는 누설 전력을 줄일 수 있는 마이크로프로세서에 관한 것이다.
본 발명의 마이크로프로세서는 외부로부터 명령어를 인출하는 제어 유닛과 제어 유닛에 연결되고, 각각 동일한 기능을 갖는 복수의 실행 유닛들 및 실행 유닛들 각각의 온도 정보를 수집하는 온도 감지 유닛을 포함한다. 그리고, 제어 유닛은 온도 감지 유닛으로부터의 온도 정보를 이용하여 복수의 실행 유닛들 중 하나 이상의 실행 유닛을 선택하여 인출한 명령어를 할당한다.

Description

누설 전력을 줄이기 위한 마이크로프로세서{MICROPROCESSOR TO REDUCE LEAKAGE POWER}
본 발명은 파이프라인(Pipeline) 구조의 마이크로프로세서(Microprocessor)에 관한 것으로, 더 자세하게는 명령 수행 단계에서 실행 유닛(Execution Unit)들에 의한 전력 손실(Power Dissipation)을 줄일 수 있는 마이크로프로세서에 관한 것이다.
최근 마이크로프로세서에 있어서 전력 소모를 줄이는 것은 가장 중요한 문제의 하나이다. 이에 따라, 마이크로프로세서의 저전력화에 대한 연구가 현재 활발히 진행되고 있으며, 부분적인 기술적 진보 또한 이루어지고 있다. 이러한 저전력화에 대한 기술적 진보에 의해 마이크로프로세서의 불필요한 전력 소모가 크게 줄어들게 됨에 따라 마이크로프로세서의 전체 전력 소모 가운데 누설 전력(Leakage Power)이 차지하는 비중이 점점 더 많아지게 되었다. 따라서, 최근에는 마이크로프로세서에 있어서 누설 전력을 줄이는 것이 저전력 구조의 마이크로프로세서를 구현하기 위한 필수적인 사항으로 고려되어지고 있다.
마이크로프로세서에서 누설 전력은 온도(Temperature)와 밀접한 관련이 있는데, 아래 [수학식 1]은 누설 전력과 온도와의 관계를 정의하는 수식으로 ISLPED'03, August 25-27, 2003, Seoul, Korea 에서 『Reducing Power Density through Activity Migration』이라는 제목의 논문에 개시되어 있다.
Pleak = Pleak110 × eβ(T-110)
(단, Pleak는 프로세서의 누설 전력, Pleak110은 110 ℃에서의 누설 전력, β는 누설 전력계수, T는 프로세서의 현재 온도를 의미한다. 110 ℃는 프로세서의 동작이 정지되는 최악의 경우의 누설 전력이다.)
상기 [수학식 1]에 보인 바와 같이, 프로세서의 누설 전력은 온도의 기하급수(Exponential)에 비례하여 증가한다.
한편, 파이프라인 구조를 갖는 마이크로프로세서의 구성 요소들 중 실제 명령이 수행되는 실행 유닛은 온도 측면에서 가장 취약한(hot spot) 구성요소의 하나로 알려져 있다.
도 1은 파이프라인 구조를 갖는 일반적인 마이크로프로세서의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 파이프라인 구조의 마이크로프로세서는 크게 명령어 인출(fetch)블록(104)과 스케쥴링(scheduling) 블록(106) 그리고, 복수의 실행 유닛들(108-1, 108-2, 108-3, ..., 108-n) 및 저장 유닛(110)을 포함한다.
명령어 인출블록(104)은 다음에 수행될 명령을 예측(prediction)하여 해당 명령어를 미리 가져오는 명령어 인출 기능을 수행하며, 스케쥴링 블록(106)은 복수의 실행 유닛들(108-1, 108-2, 108-3, ..., 108-n) 중 인출된 명령어를 수행할 실행 유닛을 선택하여 인출된 명령어를 할당한다. 그리고, 실행 유닛들(108-1, 108-2, 108-3, ..., 108-n)은 자신에게 할당된 명령어를 실제 수행하여 그 수행 결과들은 저장 유닛(110)에 저장한다.
도 1과 같은 종래의 마이크로프로세서에서 스케쥴링 블록(106)은 인출된 명령어를 수행할 실행 유닛을 선택할 때, 단지 실행 유닛이 현재 사용중인지 아닌지만을 판별하여 실행 유닛이 현재 사용중이 아니라면 즉, 아이들(Idle) 상태이면, 인출된 명령어를 할당한다. 이 경우 실행 유닛들 중 이전 수행 명령의 유형과 빈도에 따라 상대적으로 온도가 높은 실행 유닛이 현재 명령어의 수행을 위해 할당되어질 수 있다. 앞서 언급한 것처럼, 온도와 누설 전력은 상호 밀접한 관계를 갖는다. 즉, 누설 전력은 온도의 기하 급수에 비례한다. 따라서, 상대적으로 온도가 높은 실행 유닛이 명령어의 수행을 위해 할당되어지는 경우 불필요한 누설 전력이 발생하게 된다.
최근에는 이와 같은 실행 유닛의 온도에 따른 누설 전력을 줄이기 위해 실행 유닛을 이중화(duplicate)하거나, 또는 파이프라인 자체를 이중화하여 실행 유닛의 온도를 낮춤으로써, 누설 전력을 줄이는 방법이 사용되어지고 있다. 그러나, 이는 마이크로프로세서의 면적을 증가시킬 뿐만 아니라, 이중화에 따른 추가적인 전력 소모 또한 필수적으로 초래하게 된다.
본 발명에서는 상술한 문제를 해결하기 위해, 각 실행 유닛들의 온도에 따라 인출된 명령어를 선택적으로 할당할 수 있는 파이프라인 구조의 마이크로프로세서를 제공하고자 한다.
본 발명의 마이크로프로세서는 외부로부터 명령어를 인출하는 제어 유닛과 제어 유닛에 연결되고, 각각 동일한 기능을 갖는 복수의 실행 유닛들 및 실행 유닛들 각각의 온도 정보를 수집하는 온도 감지 유닛을 포함하며, 제어 유닛은 온도 감지 유닛으로부터의 온도 정보에 따라 복수의 실행 유닛들 중 하나 이상의 실행 유닛을 선택하여 인출한 명령어를 할당한다.
(실시예)
도 2는 온도 감지 유닛을 포함하는 본 발명의 마이크로프로세서의 실시예를 보여주는 블록도이다. 도 2에 보인 것처럼, 본 발명의 마이크로프로세서는 크게 제어 유닛(202)과 온도 감지 유닛(208) 그리고, 복수의 실행 유닛들(210-1, 210-2, 210-3, ..., 210-n) 및 저장 유닛(212)을 포함한다.
제어 유닛(202)은 다음에 수행될 명령을 예측하여 외부로부터 해당 명령어를 인출하는 명령어 인출블록(204)과 인출된 명령어를 복수의 실행 유닛들(210-1, 210-2, 210-3, ..., 210-n) 중 하나를 선택하여 할당하는 스케쥴링 블록(206)으로 구성된다.
온도 감지 유닛(208)은 복수의 실행 유닛들(210-1, 210-2, 210-3, ..., 210-n) 각각의 온도 정보를 수집하여 제어 유닛(202)의 스케쥴링 블록(206)으로 전달한다.
복수의 실행 유닛들(210-1, 210-2, 210-3, ..., 210-n)은 각각 자신에게 할당된 명령어를 실제 수행하여 출력한다.
저장 유닛(212)은 실행 유닛들에 의해 수행된 명령의 결과를 저장한다.
한편, 스케쥴링 블록(206)은 인출된 명령어를 복수의 실행 유닛들(210-1, 210-2, 210-3, ..., 210-n) 중 하나에 할당할 때, 그 선택 기준에 대한 스케쥴링 알고리즘을 포함한다. 도 3은 본 발명에 있어서, 실행 유닛을 선택하는 스케쥴링 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 마이크로프로세서에서 현재 명령어를 수행할 실행 유닛을 선택하는 방법은 먼저 실행 유닛들(210-1, 210-2, 210-3, ..., 210-n) 중 아이들 상태인 실행 유닛을 선택(단계 S302)하고, 선택된 아이들 상태의 실행 유닛들 중 온도가 가장 낮은 실행 유닛을 선택(단계 S304)하여 현재 명령어를 할당한다(단계 S306).
이와 같이, 실행 유닛에 명령어를 할당할 때, 각 실행 유닛들의 온도 정보를 온도 감지 유닛(208)을 통해 수집하여 가장 낮은 온도의 실행 유닛에 명령어를 할당함으로써, 실행 유닛에 의한 누설 전력을 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상대적으로 온도가 높은 실행 유닛에 명령어를 할당하지 않음으로써, 실행 유닛이 아이들 상태를 유지하도록 하여 온도가 높은 실행 유닛의 온도를 낮추어 준다.
한편, 이상과 같이 실행 유닛을 선택할 때, 온도를 선택 기준으로 하는 본 발명의 실행 유닛 선택 방법은 그물망(Mesh) 구조로 상호 연결된 재구성 가능한 프로세서(Reconfigurable Processor)에서 더욱 효율적으로 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 있어서, 온도 감지 유닛을 포함하는 재구성 가능 프로세서의 실시예를 보여주는 블록도이다. 도 4에 보인 것처럼, 재구성 가능 프로세서는 그물망 구조로 상호 연결된 복수의 재구성 가능 셀(410, Reconfigurable Cell 이하, RC)들을 포함한다. 각각의 RC들은 온도 감지 유닛(408)에 연결되고, 수행할 연산에 따라 제어 유닛(402)의 스케쥴링 블록(406)에 의해 선택되어 재구성된다.
도 5는 본 발명의 재구성 가능 프로세서에서 RC들을 선택하는 스케쥴링 알고리즘을 보여주는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 재구성 가능 프로세서에서 RC의 선택은 먼저 현재 아이들 상태인 RC들을 선택(단계 S502)하고, 선택된 아이들 상태의 RC들 중 명령 수행에 가장 효율적인 구조를 형성할 수 있는 RC들의 집합을 구성한다(단계 S504). 예를 들어, 4×4의 행렬 연산을 수행하는 경우에는 도 6의 (a)와 같이 RC들을 가로, 세로 각각 4개씩 묶는 것이 효율적이다. 만약, 도 6의 (b)와 같이 RC들을 가로, 세로 각각 1개와 8개로 묶는다면, 각 RC들의 상호 연결관계가 복잡해져서 연산을 수행하는데 많은 시간이 소요될 것이다. 단계 S504에서 선별된 RC들의 집합이 여러 개인 경우에는 온도 감지 유닛(408)에 의해 수집된 각 RC들의 온도 정보를 바탕으로 가장 온도가 낮은 RC들의 집합을 선택(단계 S508)하여 연산을 수행한다(단계 S510).
이상에서, 본 발명에 따른 마이크로프로세서의 구성 및 동작을 상기한 도면을 통해 상세히 설명하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 응용 및 변경이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 마이크로프로세서는 온도에 의한 실행 유닛 또는 재구성 가능 셀들의 누설 전력을 줄일 수 있다. 또한, 상대적으로 온도가 높은 실행 유닛 또는 재구성 가능 셀들의 온도를 낮추어 줄 수 있다.
도 1은 파이프라인 구조를 갖는 일반적인 마이크로프로세서의 블록도이다
도 2는 온도 감지 유닛을 포함하는 본 발명의 마이크로프로세서의 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 있어서, 실행 유닛을 선택하는 스케쥴링 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 있어서, 온도 감지 유닛을 포함하는 재구성 가능 프로세서의 실시예를 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 재구성 가능 프로세서에서 재구성 가능 셀들을 선택하는 스케쥴링 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 6의 (a)와 (b)는 도 5의 재구성 가능 프로세서에서 4×4 행렬 연산을 위해 선택되는 재구성 가능 셀들의 실시예를 보여주는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
202 : 제어 유닛 204 : 명령어 인출 블록
206 : 스케쥴링 블록 208 : 온도 감지 유닛
210 : 실행 유닛 212 : 저장 유닛

Claims (16)

  1. 마이크로프로세서에 있어서,
    외부로부터 명령어를 인출하는 제어 유닛;과
    상기 제어 유닛에 연결되고, 각각 동일한 기능을 갖는 복수의 실행 유닛들; 및
    상기 실행 유닛들 각각의 온도 정보를 수집하는 온도 감지 유닛을 포함하되,
    상기 제어 유닛은 상기 온도 정보에 따라 상기 실행 유닛들 중 하나 이상의 실행 유닛을 선택하여 상기 인출한 명령어를 할당함을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 실행 유닛들 중 상대적으로 온도가 낮은 실행 유닛에 상기 인출한 명령어를 우선적으로 할당함을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 감지 유닛은 상기 실행 유닛들 각각에 대응되어 구성됨을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 외부로부터 명령어를 인출하는 명령어 인출블록; 및
    상기 온도 감지 유닛으로부터의 상기 온도 정보에 따라 상기 실행 유닛들 중 하나 이상의 실행 유닛을 선택하여 상기 인출한 명령어를 할당하는 스케쥴링 블록을 포함함을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 실행 유닛들은 재구성 가능 셀들임을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 재구성 가능 셀들은 상호 그물망 형태로 연결됨을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  7. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 소정 연산을 수행하기 위해 상기 재구성 가능 셀들 중 일부를 선택하여 조합함을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연산을 수행하기 위해 선택되어 조합된 재구성 가능 셀들은 상기 조합된 재구성 가능 셀들 중 온도가 가장 낮은 재구성 가능 셀들의 집합임을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 선택된 재구성 가능 셀들의 집합은 상기 연산 수행을 위해 가장 효율적인 구조의 집합임을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 선택된 집합에 포함되는 재구성 가능 셀들은 현재 아이들 상태인 재구성 가능 셀들임을 특징으로 하는 마이크로프로세서.
  11. 재구성 가능 프로세서(Reconfigurable Processor)에 있어서,
    소정의 기능 수행을 위한 복수의 재구성 가능 셀들;
    상기 재구성 가능 셀들 각각에 대응되어 상기 재구성 가능 셀들의 온도 정보를 수집하는 온도 감지 유닛; 및
    상기 온도 정보에 따라 상기 재구성 가능 셀들 중 온도가 낮은 재구성 가능 셀들의 집합을 선택하여 상기 기능 수행을 할당하는 제어 유닛을 포함함을 특징으로 하는 재구성 가능 프로세서.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 재구성 가능 셀들은 상호 그물망 형태로 구성됨을 특징으로 하는 재구성 가능 프로세서.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 유닛에 의해 선택된 재구성 가능 셀들의 집합은 상기 기능 수행에 가장 효율적인 구조를 가짐을 특징으로 하는 재구성 가능 프로세서.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 선택된 집합에 포함된 재구성 가능 셀들은 현재 아이들 상태에 있는 재구성 가능 셀들임을 특징으로 하는 재구성 가능 프로세서.
  15. 재구성 가능한 프로세서(Reconfigurable Processor)에서 기능 수행을 위해 재구성 가능 셀들을 선택하는 방법에 있어서,
    상기 재구성 가능 셀들 중 현재 아이들 상태의 재구성 가능 셀들을 선택하는 제1 단계;
    상기 제1 단계에서 선택된 상기 재구성 가능 셀들을 이용하여 상기 기능 수행을 위한 집합을 구성하는 제2 단계;
    상기 집합들 중 상기 기능 수행에 가장 효율적인 집합을 선별하는 제3 단계; 및
    상기 제3 단계에서 선별된 집합 중 가장 온도가 낮은 셀들의 집합을 선택하여 상기 기능 수행을 할당하는 제4 단계를 포함함을 특징으로 하는 재구성 가능 셀 선택방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 선별된 집합이 하나인 경우 상기 선별된 집합에 상기 기능 수행을 할당함을 특징으로 하는 재구성 가능 셀 선택방법.
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