Thermisches Verhalten und emuliertes online Temperatur-Monitorsystem (eTMon) für das FPGA-Prototyping von Multiprozessor-Architekturen

Die durch Technologie-Skalierungen bedingten hohen Leistungsdichten in modernen CMOS-Technologien beeinflussen die Temperaturen von Chips, die auch von der thermischen Leitfähigkeit des Chips und Gehäuses abhängig sind. Räumliche und zeitliche Variationen der Arbeitslast führen zu Temperatur-Hotspots, die ungleichmäßige Alterung und Ausfälle von Chips begünstigen können. Zudem führen hohe Temperaturen zu einer Reduzierung der Schaltgeschwindigkeit. Insbesondere bei Multiprozessor-Architekturen kann dies dazu führen, dass sich Cores, auch von demselben Typ, sehr unterschiedlich verhalten.
Beim Design von Prozessorgehäusen kann die Berücksichtigung des thermischen Worst-Case-Szenarios, bedingt durch die nichtlineare Beziehung zwischen Kühlkapazität und resultierenden Kosten der Gehäuse, für eine preisgünstige Herstellung nicht mehr erfolgen.

Aus diesem Grund ist eine Vorhersage bzw. Kontrolle des thermischen Verhaltens von Multiprozessor-Architekturen sowohl während der Designphase als auch während der Laufzeit wichtig und Gegenstand vielfältiger Forschungsarbeiten.

In dieser Arbeit wird ein emuliertes online Temperatur-Monitorsystem (eTMon) für Multiprozessor-Architekturen beschrieben, das bereits während der Designphase für FPGA-Prototyping eingesetzt werden kann. Der eTMon gibt dabei während der Laufzeit aktuelle Temperaturwerte aus, die für die anvisierte finale ASIC-Implementierung charakteristisch sind und stellt diese bereits auf der FPGA-Prototyping Plattform zur Verfügung.

Vor der Implementierung von eTMon wird zuerst das thermische Verhalten dreier Multiprozessor-Architekturen untersucht, die sich jeweils in Typ, Anzahl und Größe der verwendeten Prozessoren und ihrem Kopplungstyp unterscheiden.