이기종 멀티코어 프로세서를 위한 시스템 수준 전력 관리 기법 연구

Abstract

최근 모바일 임베디드 기기들의 성능은 멀티미디어 스트리밍, 게임, 비디오 및 이미지 처리와 같은 고급 서비스들을 제공하기 위해 급격하게 증가해왔다. 이러한 대량의 픽셀 혹은 프레임 데이터를 처리하는 응용 서비스들을 효율적으로 수행하기 위해 모바일 임베디드 시스템에서는 범용 CPU와 그래픽처리장치를 하나의 칩 안에 집적하는 이기종 시스템 설계가 널리 사용되고 있다. 이기종 시스템에서 수행되는 응용의 경우 연산의 많은 부분이 그래픽처리장치에 의해 처리되기 때문에 응용 수행 시 그래픽처리장치가 소비하는 전력은 증가하는 반면 CPU는 유휴 상태에서 보내는 시간이 늘어나게 되었다. 본 논문은 이기종 멀티코어 프로세서를 대상으로 CPU가 유휴 상태에 있을 시 발생하는 누수전력과 그래픽처리장치가 동작 시 발생하는 동적 전력을 효과적으로 관리하기 위한 전력관리 기법을 제안한다. 모바일 시스템의 전력관리 기법은 크게 동적 전력 관리 기법과 동적 전압 및 주파수 조정 기법이 있다. 동적 전력 관리 기법은 대상 장치에 요구되는 서비스 요청이 없어 장치가 유휴 상태가 되었을 때 해당 장치를 저전력 상태로 전환시키는 기법이다. 동적 전압 및 주파수 조정 기법은 대상 장치의 작업량에 따라 동작 전압 및 주파수를 조정하는 기법이다. 본 논문에서는 첫째로 범용 프로세서를 대상으로 동적 전력 관리 기법을 효과적으로 적용하기 위한 방법을 제안한다. 기존의 동적 전력 관리 기법은 대상 장치의 유휴 시간이 얼마나 지속될 것인지를 예측하는데 중점을 둔다. 대상 장치의 유휴 시간 예측은 해당 장치가 과거에는 얼마나 오랫동안 유휴 상태에 있었는지에 기반하여 이루어진다. 하지만 프로세서의 경우 기존의 동적 전력 관리 기법이 널리 적용되던 입출력 장치와는 상이한 전력 상태 전환 특성으로 인해 측정된 유휴 시간이 실제 프로세서의 유휴 시간을 정확하게 반영할 수 없는 문제점이 있다. 또한 프로세서의 경우 서비스를 요청하는 주변 장치들의 종류가 다양하고 그에 따라 요구되는 응답 속도가 다르기 때문에 예측되는 유휴 시간에만 기반하여 저전력 상태를 적용하는 것은 효율적이지 못하다. 본 논문에서는 프로세서의 유휴 시간을 예측하는 대신 어느 주변 장치에서 다음 서비스를 요청할 것인지를 예측하여, 예측되는 장치의 중요도에 따라 프로세서의 저전력 상태를 결정하는 Service Requestor-driven Dynamic Power Management (SRD) 기법을 제안한다. SRD 기법은 주변 장치의 서비스 요청에 대해 요구되는 프로세서의 응답 속도에 따라 장치들을 분류하고 프로세서가 유휴 상태가 되었을 시 다음 서비스 요청이 어느 주변 장치에서 발생 할지를 예측한다. 이후 예측된 주변 장치의 중요도에 기반하여 프로세서의 저전력 상태를 결정 함으로써 시스템 성능저하를 최소화 하면서 효율적으로 전력절감을 이루도록 한다. 두 번째로 본 논문에서는 그래픽처리장치를 대상으로 동적 전압 및 주파수 조정 기법을 효과적으로 적용하기 위한 기법을 제안한다. 기존의 프로세서에 적용되는 동적 전압 및 주파수 조정 기법은 on-demand 기법이라 불린다. On-demand 기법은 대상 장치의 활용률에 기반하여 동작 전압 및 주파수를 조정하는데 대상 장치의 활용률이 일정 수준 이상으로 올라가게 되면 동작 전압 및 주파수를 높이는 방식이다. 이러한 on-demand 기법이 일관된 서비스 품질을 달성하도록 요구되는 그래픽처리장치에 적용 될 경우 문제가 발생할 수 있다. 그래픽 응용의 서비스 품질은 일반적으로 초당 처리되는 프레임 수로 결정되는데 이는 처리되는 프레임 수가 사용자가 인지하는 그래픽 응용의 서비스 품질에 결정적인 영향을 미치기 때문이다. 하지만 그래픽처리장치에 의해 처리되는 프레임의 수는 그래픽처리장치의 활용률에 비례하지 않을 수 있다. 따라서 기존의 동적 전압 및 주파수 조정 기법을 그래픽처리장치에 적용 할 경우 일관된 초당 프레임 수를 얻을 수 없는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 사용자가 요구하는 초당 프레임 수를 그래픽처리장치가 달성할 수 있도록 그래픽처리장치의 동작 전압 및 주파수를 조정하는 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 시스템 수준 전력관리 기법은 이기종 멀티코어 프로세서를 대상으로 CPU와 GPU 사이의 상호작용을 고려하여 전력관리를 수행한다. 실험결과는 제안하는 기법이 응용의 특성과 사용자의 요구성능에 따라 CPU와 GPU의 성능 및 전력상태를 알맞게 조정 함으로써 효율적으로 전력절감 효과를 거두는 것을 보여준다.