Methodik zur FPGA-basierten Analyse und Optimierung der Verlustleistung und des thermischen Verhaltens von eingebetteten Prozessoren:
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
München
Verlag Dr. Hut
2021
|
| Edition: | 1. Auflage |
| Series: | Informationstechnik
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltstext http://www.dr.hut-verlag.de/978-3-8439-4693-3.html Inhaltsverzeichnis |
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|---|---|
| adam_text | Methodik zur FPGA-basierten Analyse und Optimierung
der Verlustleistung und des thermischen Verhaltens
von eingebetteten Prozessoren
Der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
(abgekürzt: Dr -Ing )
genehmigte Dissertation
von Herrn
Dipl -Wirtsch -Ing Sebastian Hesselbarth
geboren am 23 11 1979
in Bad Pyrmont
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1 1 Zielsetzung der Arbeit vr rsceneeeernenennnn
1 2 Aufbauder Arbeit 222 esnnnsserereerenennne
2 Grundlagen
2 1 Verlustleistung in VLSI-Schaltkreisen 2 22222000000
211 Dynamische Verlustleistung 2220er neeenenn
212 Statische Verlustleistung 222002 ecernennen
2 2 Thermische Modellierung von VLSI-Schaltkreisen 2222
221 AufbaudesChip-Gehäuses 222 02 ee
222 Wärmeleitung in Festkörpenm 22 vr reeeeneeene
2 3 Untersuchte eingebettete Prozessoren rc ee eee
231 Leon? RISC Prozessor 2 222 eeeeerre rennen
232 Cadence Tensilica Xtensa LX5 ASIP Prozessor 2 «
24 Field Programmable Gate Array (FPGA) 2200er en en
3 Stand der Wissenschaft und Technik
3 1 Schätzung der Verlustleistung von programmierbaren Prozessoren
311 Simulationsbasierte Verlustleistungsschätzung
312 Emulation der Verlustleistungsschätzung 2er
3 2 Bestimmung der Wärmeverteilung in VLSI-Schaltkreisen -
4 FPGA-basierte Entwurfsumgebung für SoC-Design
4 1 Aufbau der Entwurfsumgebung 222er eereeeennen
411 Automatisierte Generierung des Gesamtsystems 2
412 Projektspezifisches Subsystem rennen
413 Framework zur Kommunikation cr sven enuen
4 2 Unterstütze FPFGA-Emulationsplattformen 2 2er ren een
4 3 Anwendungsbeispiele zur Nutzung der Entwurfsumgebung
431 Miniaturisierte SAR-Bildgenerierung 2 2-000 eee
432 Vektorfeld-basierte Fahrerassistenzsysteme 4-4
5 Methodik zur präzisen Schätzung der Verlustleistung programmierbarer
vi
Prozessoren 53
5 1 Zielsetzung der Methodik 0202 0000 ee eee rete 53
5 2 Hybride FLPA/ILPA für Prozessoren im Entwurfsstadium -++* 54
521 Bestimmung der zyklengenauen Verlustleistung ++ + + ++ 58
522 Analyse der instruktionsabhingigen Verlustleistung - +++ - 60
523 Analyse der datenabhängigen Verlustleistung - +++ 63
5 24 Abhängigkeit der Verlustleistung vom Prozessorzustand - - 66
525 Modellierung der Verlustleistung ----- e+e? 67
5 3 Emulation der Veriustleistungsschätzung 0 ee ett 70
531 Aufbau des Moduls zur Verlustleistungsschätzung «+ + 70
532 Berechnung der Hamming-Distanz --- +s ert 72
533 FPGA-Impiementierung der Veriustleistungsschatzung ~~ - - 73
534 Grafische Oberfläche zur Analyse der Verlustleistung -+-- 75
FPGA-beschleunigte Bestimmung der Temperaturverteilung 79
6 1 Motivation und Zielsetzung ee ts 80
6 2 Analyse der HotSpot-Temperaturverteilung 2 6 +e ee ree 81
621 Algorithmischer Aufbau 2 00 ee ee ee 81
622 Software-basierte Optimierung der Algorithmen ---+--- 85
6 3 FPGA-Implementierung der Berechnung der Temperaturverteilung - - 86
6 4 Evaluation der FPGA-Implementierung «2 2 es 92
Analyse der anwendungsspezifischen Energieeffizienz programmierbarer
Prozessoren 97
7 1 Bewertung der Schätzgenauigkeit ee ee et 97
7 2 Benchmark-Applikationen aus dem Embedded-Bereich + + 98
7 3 Evaluation der Verlustleistungsmodelle 2 errors rn 99
731 Evaluation der Verlustleistungsmodelle desLeon2 + - 99
732 Evaluation der Verlustleistungsmodelle des Xtensa LXS --- 100
7 4 Analyse von verlustleistungsorientierten Optimierungen -- ++ - 103
741 Beschreibung der Zielapplikation zur JPEG-Kompression und De-
Kompression 22 0 ee ee ee ee es 103
742 Einfluss von Hardware-Optimierungen auf die Verlustleistungsef-
fizienz ee eee 106
743 Einfluss von Software-Optimierungen auf die Verlustleistungsefti-
ZWENZ oo ee es 109
744 _Architekturwahl unter Verlustleistungsaspekten --+- +» 113
745 Parameterwahl unter Verlustleistungsaspekten - + 114
746 Verlustleistungseffizienz von Instruktionssatzerweiterungen 117
8 Diskussion und Zt f 1g der Methodik
8 1 Bewertung der Verlustleistungsschätzung 2-0-0 004
8 2 Grenzen der Verlustleistungsschatzung 2 ee ee ee ee eee
8 3 Bewertung der Berechnung der Warmeverteilung :5
8 4 Grenzen der Berechnung der Warmeverteilung 222222000
A Instruktionsspezifische Verlustleistung
A l Instnuktionsspezifische Verlustleistung des Leon? Instruktionssatzes
A 2 Instruktionsspezifische Verlustleistung des Xtensa LX5 Instruktionssatzes
mit Instruktionssatzerweiterungen 222 2202er ernennen
B Verlustleistungsmodelle und Parameter
B l Verlustleistungsmodelle des Leon2 Prozessors 2 2 22222000
B 2 Verlustleistungsmodellte des Xtensa LX5 Prozessorts 22 22
C Ressourcenbedart der FPGA-Implementierungen des HotSpot-Verfahrens
Eigene Publikationen
Lebenslauf
vii
|
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Methodik zur FPGA-basierten Analyse und Optimierung
der Verlustleistung und des thermischen Verhaltens
von eingebetteten Prozessoren
Der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
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genehmigte Dissertation
von Herrn
Dipl -Wirtsch -Ing Sebastian Hesselbarth
geboren am 23 11 1979
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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1 1 Zielsetzung der Arbeit vr rsceneeeernenennnn
1 2 Aufbauder Arbeit 222 esnnnsserereerenennne
2 Grundlagen
2 1 Verlustleistung in VLSI-Schaltkreisen 2 22222000000
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3 Stand der Wissenschaft und Technik
3 1 Schätzung der Verlustleistung von programmierbaren Prozessoren
311 Simulationsbasierte Verlustleistungsschätzung
312 Emulation der Verlustleistungsschätzung 2er
3 2 Bestimmung der Wärmeverteilung in VLSI-Schaltkreisen -
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4 1 Aufbau der Entwurfsumgebung 222er eereeeennen
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413 Framework zur Kommunikation cr sven enuen
4 2 Unterstütze FPFGA-Emulationsplattformen 2 2er ren een
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Prozessoren 53
5 1 Zielsetzung der Methodik 0202 0000 ee eee rete 53
5 2 Hybride FLPA/ILPA für Prozessoren im Entwurfsstadium -++* 54
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523 Analyse der datenabhängigen Verlustleistung - +++ 63
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525 Modellierung der Verlustleistung ----- e+e? 67
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531 Aufbau des Moduls zur Verlustleistungsschätzung «+ + 70
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Analyse der anwendungsspezifischen Energieeffizienz programmierbarer
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