Improvement of microsystem throughput using new cooling system

• Autorzy: Samake A. , Kocanda P. , Kos A.

Identyfikatory

DOI

10.7862/re.2016.1

Warianty tytułu

PL

Zwiększenie wydajności mikrosystemów z użyciem nowego systemu chłodzenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a new possibility of clock frequency/voltage control in microsystems i.e. high performance processors, exploiting information about cooling efficiency. In this paper, we propose an approach that better exploits the thermal abilities of a chip fixed to cooling system in order to eliminate its energy accumulation. For the purpose of the proposed method, the calculation of so called time shift (TS) is introduced. TS is defined as the duration where the computational system can perform the task at higher frequency without any thermal violation when the chip temperature is close to critical thermal threshold. The analogy between thermal and electrical parameters allows to model RC thermal compact model of structure (chip fixed to the cooling system). Based on this assumption, the authors compute the TS value versus different parameters using RC thermal compact model in Spice environment. The results indicate that TS could fulfil a significant part of die total working time. As an effect the proposed approach may be a means for increasing average clock frequency or voltage supply, consequently enhancing the system’s throughput.

PL

Praca prezentuje nowy sposób sterowania napięciowo-częstotliwościowego procesorów o dużej wydajności numerycznej z wykorzystaniem informacji o bieżącej efektywności chłodzenia. Autorzy zaproponowali metodę sterownia, która lepiej wykorzystuje własności cieplne modułu scalonego w sensie bardziej efektywnego przekazywania ciepła do otoczenia. W tym celu wprowadzono i wyliczono czas przesunięcia (TS) aktywności numerycznej, zdefiniowany jako przedział czasu, w którym system cyfrowy może pracować ze zwiększoną efektywnością bez obawy o przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy. W szczególności, nawet wówczas gdy struktura scalona pracuje na granicy wytrzymałości termicznej. Do analizy termicznej wykorzystano model kompaktowy RC oparty na analogii elektrycznej. Do analizy wykorzystano program Spice. Otrzymane wyniki wskazują, że TS stanowi znaczącą cześć całkowitego czasu pracy procesora co przekłada się na zwiększenie częstotliwości lub napięcia zasilania, a zatem prowadzi do zwiększenia wydajności procesora.

Słowa kluczowe

EN

clock frequency; voltage supply; heat pipe; temperature sensor; throughput of microprocessor

PL

częstotliwość zegara taktującego; napięcie zasilania; rurka cieplna; czujnik temperatury; wydajność procesora

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Elektrotechnika
• Rocznik: 2016
• Tom: z. 35 [294], nr 1
• Strony: 5--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Samake A.

• AG H University of Science and Technology, Faculty of Computer Science, Electronics and Telecommunications, Al. Mickiewicza 30, Krakow, Poland

autor

Kocanda P.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Computer Science, Electronics and Telecommunications, Al. Mickiewicza 30, Krakow, Poland

autor

Kos A.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Computer Science, Electronics and Telecommunications, Al. Mickiewicza 30, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Coskum A. K., Ayala J. L., Atienza D., Rosing T. S. “Modeling and Dynamic Management of 3D Multicore Systems with Lquid Cooling” Very Large Scale Integration (VLSI-SoC), 2009 17th IFIP International Conference pp.35-40 12-140October 2009
• [2] Frankiewicz M., Golda A., Kos A. “Investigation of Heat Transfer In Integrated Circuits” Metrology and Measurement Systems, vol.11, No.1, pp.111-120, 2014.
• [3] Kim Y. G., Kim M., Kim J. M., Chung S.W. “M-DTM: Migration-based dynamic thermal management for heterogeneous mobile multi-core processors” Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), 2015, pp 1533-138, March 2015
• [4] Kos A., De Mey G “Thermal Modelling and optimization of power microcircuits”, Electrochemical Publications LTD, ISBN 0901150 3603, England 1997.
• [5] Legierski J., Wiecek B., De Mey G. “Measurements and simulations of transient characteristics of heat pipes” microelectronics reliability, Vol. 46, issue1, pp.109115, January 2006.
• [6] O'Loughlin J., Loree D. “Cooling System Transient Analysis using an Electric Circuit Program Analog” Pulsed Power Conference, 2003. Digest of Technical Papers. PPC-2003. 14th IEEE International, Volume: 2, pp 767 – 770, June 2003.
• [7] Pounds D., Bonner III R. W. “High Heat Flux Heat Pipes Embedded in Metal Core Printed Circuit Boards for LED Thermal Management” Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 2014 IEEE Intersociety Conference on, pp 267-271, May 2014.
• [8] Shaw M.C., Waldrop J. R., Chandrasekaran S., Kagalwala B., Jing X. “Enhanced Thermal Management by Direct Water Spray of High-Voltage, High Power Devices in a Three-phase, 18-hp AC Motor Drive Demonstration” Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, 2002. ITHERM 2002. The Eighth Intersociety Conference on, pp. 1007-1014, 2002.
• [9] Stavrou K., Trancoso P. “Thermal-Aware Scheduling: A solution for Future Chip Multiprocessors Thermal Problems” Digital System Design: Architectures, Methods and Tools, 2006. DSD 2006. 9th EUROMICRO Conference on, pp.123 – 126, 2006.
• [10] Székely V., Rencz M., P´ahi A., Courtois B. “Thermal Monitoring and Testing of Electronic systems” IEEE Transactions on components and packaging technology, vol.22, No.2, pp.231-237, June 1999.
• [11] Tockhorn A., Cornelius C., Saemrow H., Timmermann D. “Modeling Temperature Distribution in Networks-on-Chip using RC-Circuits” Design and Diagnostics of Electronic Circuits and Systems (DDECS), 2010 IEEE 13th International Symposium on, pp. 229 – 232, April 2010.
• [12] Tworus K. “Application of Inverse Problems to On-line Temperature Monitoring of Integrated Circuits” 2002.
• [13] Zhang P., Ruan L. “Experimental Study On Two-phase Spray Cooling For The Cooling of High-heat-flux Electronic Chip” 2012 Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring (CDCIEM), 2012 International Conference on, pp.324-326, March 2012.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.