A Framework for Modelling Computational Sprinting with Phase Change Materials

Σχίζας, Νικόλαος; Schizas, Nikolaos

dc.contributor.author	Σχίζας, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Schizas, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2017-09-18T08:18:21Z
dc.date.available	2017-09-18T08:18:21Z
dc.date.issued	2017-09-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45623
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14274
dc.rights	Default License
dc.subject	Dark Silicon	en
dc.subject	Υλικά Αλλαγής Φάσης	el
dc.subject	Προσομοίωση Υπολογιστικού Συστήματος	el
dc.subject	Υλικά Διεπαφής	el
dc.subject	Ετερογενή Υλικά Αλλαγής Φάσης	el
dc.subject	Θερμική Προσομοίωση	el
dc.subject	Full System Simulation	en
dc.subject	Thermal Modelling	en
dc.subject	Phase Change Materials	en
dc.subject	Computational Sprinting	en
dc.title	A Framework for Modelling Computational Sprinting with Phase Change Materials	en
dc.contributor.department	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Electrical engineering	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85041666
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-02-01
heal.abstract	The term “Dark Silicon” derives from the fact that, as we advance to smaller technology nodes in the semiconductor industry, more and more chip area will remain unpowered (dark). This is a direct result of the failure to scale the switching power per transistor in accordance with device dimension shrinking. Thus, in deep, sub-micron technology nodes, we are able to pack more transistors at the same area without reducing the required power per transistor, resulting in growing power densities. This growth, coupled with the physical limits imposed by device packaging and cooling technologies, forces part of the chip to remain unpowered in order to operate within TDP limits. The shift to multicores was the first step taken towards gaining performance benefits from the bigger number of transistors on chip, that leads to smaller power consumption increases than creating a single, faster core. However, multicore scaling needs tasks that can be divided equally among cores to deliver maximum performance. Also, multicore scaling still results in growing power consumption and is therefore expected to come to an end. That being said, research is oriented towards discovering ways to leverage dark silicon area into performance gains. To this end, computational sprinting is one of the most promising ideas. Sprinting involves briefly powering on many extra cores and/or frequency boosting others, to facilitate sub-second bursts of intense computation. These bursts exceed power limits briefly and are terminated when temperatures on chip reach critical levels. In order to increase the available sprinting time, phase change materials (PCMs) are used as a passive cooling technique. This diploma thesis aims to determine optimal PCM characteristics and placement. To this end, a full system simulation model is constructed using well known simulation tools, augmented to be able to properly simulate the phenomena involved. Lastly, a new approach involving the use of a layer consisting of PCMs with different melting temperatures is presented with quite interesting results.	en
heal.abstract	Ο όρος Dark Silicon προέρχεται από το γεγονός ότι, καθώς προχωράμε σε μικρότερες κλίμακες κατασκευής ημιαγωγών, όλο και μεγαλύτερο ποσοστό από την επιφάνεια των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων θα παραμένει ανενεργό (dark). Το φαινόμενο αυτό προκύπτει από την αδυναμία προσαρμογής της ισχύος που απαιτείται για κάθε τρανζίστορ, αναλογικά με τη μείωση των διαστάσεων της συσκευής. Έτσι, σε τεχνολογικούς κόμβους της τάξης των micro-μέτρων, μπορούμε να κατασκευάσουμε περισσότερα ημιαγωγικά στοιχεία στον ίδιο χώρο χωρίς να υπάρχει αντίστοιχη μείωση της ισχύος που απαιτείται για τη λειτουργία καθενός από αυτά, με αποτέλεσμα, την αύξηση την πυκνότητας ισχύος στο κύκλωμα. Η αύξηση αυτή, μαζί με άλλους περιορισμούς που επιβάλλουν οι τεχνολογίες συσκευασίας και ψύξης των ολοκληρωμένων, εξαναγκάζει μέρος των κυκλωμάτων να μένει ανενεργό για να εξασφαλιστεί η λειτουργία εντός ορίων μέγιστης κατανάλωσης ισχύος (TDP). Η στροφή προς τις πολυπύρηνες πλατφόρμες ήταν το πρώτο βήμα σε μια προσπάθεια αύξησης της επίδοσης υπολογιστικών συστημάτων, κάνοντας χρήση του μεγαλύτερου αριθμού ημιαγωγών στο ολοκληρωμένο, η οποία οδηγεί σε μικρότερη αύξηση ισχύος από την κατασκευή ενός πιο ισχυρού πυρήνα. Ωστόσο, συστήματα με πολλούς πυρήνες χρειάζονται εργασίες που μπορούν να μοιραστούν ισόποσα στις διαθέσιμες επεξεργαστικές μονάδες για να επιτύχουν μέγιστη απόδοση. Επίσης, η αύξηση του αριθμού των πυρήνων εξακολουθεί να αυξάνει την κατανάλωση ισχύος και επομένως, δεν μπορεί να συνεχιστεί απεριόριστα. Συνεπώς, η έρευνα προσανατολίστηκε προς την ανακάλυψη νέων τρόπων για να χρησιμοποιηθούν τα ανενεργά κομμάτια υλικού ( dark silicon ) με στόχο την αύξηση των επιδόσεων. Μία από τις πιο υποσχόμενες ιδέες σε αυτή την κατεύθυνση είναι το computational sprinting. Η μέθοδος αυτή ενεργοποιεί πολλούς παραπάνω πυρήνες η/και επιταχύνει σε συχνότητα τους ήδη ενεργούς, για να επιτελέσει έντονες υπολογιστικά εργασίες σε χρόνο της τάξης υπό του δευτερολέπτου. Η διαδικασία αυτή ξεπερνάει για σύντομο χρονικό διάστημα τα προβλεπόμενα μέγιστα επίπεδα κατανάλωσης ισχύος και τερματίζεται όταν οι θερμοκρασίες στο ολοκληρωμένο φτάσουν σε κρίσιμες τιμές. Για να αυξηθεί ο διαθέσιμος χρόνος της μεθόδου, χρησιμοποιούνται υλικά αλλαγής φάσης (PCMs), σαν παθητική μέθοδος ψύξης. Η διπλωματική αυτή στοχεύει στον προσδιορισμό των βέλτιστων χαρακτηριστικών και της τοποθέτησης αυτών των υλικών. Για να επιτευχθεί αυτό, κατασκευάστηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης υπολογιστικού συστήματος το οποίο αποτελείται από γνωστά εργαλεία, τροποποιημένα έτσι ώστε να μπορούν να προσεγγίσουν τα φαινόμενα που περιλαμβάνονται στη διερεύνηση με ακρίβεια. Τέλος, παρουσιάζεται μία νέα προσέγγιση όπου χρησιμοποιείται ένα στρώμα από υλικά αλλαγής φάσης με διαφορετικές θερμοκρασίες τήξης, με ενδιαφέροντα αποτελέσματα.	el
heal.advisorName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Σούντρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Κιαμάλ, Πεκμεστζή	el
heal.committeeMemberName	Κοζύρης, Νεκτάριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Τεχνολογίας Πληροφορικής και Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	123 σ.
heal.fullTextAvailability	true