异构SoC存储系统性能和能量建模的跨平台仿真方法

一种异构SoC存储系统Amal Ben Ameur引用此版本：阿迈勒·本·阿莫尔异构SoC存储系统性能和能量建模的跨平台仿真方法。嵌入式系统蔚蓝海岸大学，2019年。英语NNT：2019AZUR4048。电话：02570752HAL Id：tel-02570752https://theses.hal.science/tel-025707522020年5月12日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireSoC系统存储器性能和能量模型化的事务模拟方法Amal BEN AMEURUCA电子和电信公司Présentée en vue de信息学博士学位蔚蓝Dirigée par：François Verdier共同赞助人：Michel Auguin回复：28/06/2019在陪审团面前，作曲：Pascal Benoit，会议主持人，LIRMM DavidNavarro，会议主持人，ECL ArnaudTisserand，研究主任，CNRSFrançois Verdier，蔚蓝海岸大学讲师Michel Auguin，Directeur de Recherche，CNRSValerio Frascola，Directeur de Recherche etInnovation，Intel Deutschland GmbHPatricia Guitton-ouhamou，Architecte Logiciel，雷诺索菲亚安提波利斯博士论文集SoC系统存储器性能和能量模块化的事务模拟方法评审团：报告员：帕斯卡尔·伯努瓦Maitre de Conférence，LIRMM戴维·纳瓦罗Maitre de Conférence，ECL审查员：阿尔诺·蒂塞朗Directeur de Recherche，CNRS瓦莱里奥·弗拉斯科拉德国英特尔研究与创新总监GmbH邀请函：帕特里夏·吉顿-瓦哈穆建筑师Logiciel，Renault Sophia AntipolisDirecteur de thèse：弗朗索瓦·韦尔迪耶蓝色海岸大学Co-directeur de thèse：米歇尔·奥古安Directeur de Recherche，CNRS简历移动设备，由于标准的新版本和用户对新服务的不断需求，将承担更高的功能，这将使信息化的观点更加迫切。因此，在应对所有可能消耗能源的新的紧急情况的措施中，对移动设备系统的概念至关重要为了实现这一目标，提出了新系统性能和能力现代化的新方法，并首次提出了一系列深褐色系统（SoC）的概念，其中包括硬件/软件体系结构（HW/SW）的此外，现有的解决方案主要负责存储系统（包括存储器SDRAM）功率的优化，可以占用70%的深褐色和浅色表面，再加上30%的总能量。在我们的工作中，我们提出了一个基于SystemC-TLM的新的电子系统级（ESL）仿真框架，能够负责探索一个SoC架构这一新干部允许优化Mots-clés-efficacité énergétique ， système de mémoire ， Electronic System Level ， concept dusystème，co-concept matériel/ logiciel，SystemC.摘要移动设备在标准的每个新版本中以及随着用户因此，能够满足新的要求，同时提供高能效的芯片是当今移动设备系统设计师面临的最重要的挑战。为了应对这一挑战，已经提出了新的系统级性能和功耗建模方法，允许在片上系统（SoC）设计流程的最初步骤就探索硬件/软件（HW/SW）架构。然而，现有的解决方案对存储器系统（包括SDRAM）的功率优化的支持有限，存储器系统可能占据芯片面积的70%以上并且消耗总能量的30%以上。在我们的工作中，我们提出了一个基于SystemC-TLM的仿真框架在电子系统级（ESL），这是能够支持联合探索的SoC架构及其内存配置。这种新框架有助于优化SoC能耗，同时在功耗和性能以及内存带宽和延迟方面匹配所需的性能。关键词：电源效率，存储系统，电子系统级，系统设计，软硬件协同设计，SystemC。前言此PHD是英特尔的CIFRE PHD项目。它始于英特尔移动通信公司索菲亚·安提波利斯，然后在英特尔慕尼黑完成。出于保密和安全措施的原因，我们将仅限于描述英特尔环境和详细信息。因此，第三章是实际工作的精简版。目录致谢1I.介绍11.上下文12.捐款33.论文结构3II.功耗感知架构建模：背景技术51.片上系统设计流程：抽象层次61.1.电子系统等级（ESL）81.2.寄存器传输级（RTL）101.3.合成和芯片制造112.电源建模：功耗和电源管理技术122.1.片上系统的功耗122.2.时钟门控和电源门控132.3.动态电压和频率缩放132.4.统一电源格式（UPF）152.5.ESL能力和性能评估框架173.模型驱动工程方法194.PwClklashlibrary 204.1.图书馆结构说明214.2.PwClks24背后的方法5.ESL 28级存储系统的研究5.1.存储和存储285.2.存储器要求：能效和性能295.3.技术趋势：新兴的非易失性存储器6.结论. 37III.英特尔预硅模拟环境381.用于性能评估的预硅模拟环境381.1.英特尔Sophia Antipolis预硅模拟环境381.2.英特尔慕尼黑预硅模拟环境412.任务图423.向模拟环境中添加电源意图464.结论49IV.基于PwClkARCH设计的模型驱动工程：用于代码生成的1.模型驱动工程方法502.PwClklyn3.代码生成544.图形工作台554.1.主界面574.2.功率和时钟状态表的接口585.类UPF集成606.结论62V.基于TLM 64级1.DRAM电动工具652.内存探索流程682.1.结果对DRAMPower处理的交易数量的敏感性 712.2.DRAM设备功率评估722.3.DRAM控制器功率估计742.4.平均存储器访问时间估计753.结论76VI.模拟结果771.时钟门控应用772.基于数据表的内存规格823.STT-MRAM LPDDR3接口型号833.1.无内存访问交错843.2.存储器访问的交错873.3.应用DVFS 894.结论. 92VII.一般性结论和展望. 941.结论. 942.前景953.与本论文相关的出版物96缩略语. 99附件101Bibliography参考书目103图表目录图1. (a)智能手机的最大接收速率;（b）智能手机的接收速率与稳定通信持续时间1图2.根据摩尔定律的技术趋势[8]................................................................................................................. 6图3.设计过程抽象级别................................................................................................................................. 7图4. SystemC-TLM交易后台...................................................................................................................... 10图5.代码行比较[14]..................................................................................................................................... 11图6.能量（动态和泄漏）与电压[19]......................................................................................................... 14图7.动态电压和频率缩放（DVFS）架构................................................................................................. 14图8.基于UPnP的功耗感知设计示例（来源：MagicBlue Smoke）........................................................ 16图9.低功耗系统设计流程[22]..................................................................................................................... 17图10. PwClk结构21图11. OPPT、ClkST和PST表结构............................................................................................................. 23图12.电源管理单元（PMU）结构.............................................................................................................24图13.基于PwClk的方法的总体方针.......................................................................................................... 25图14.功耗曲线示例..................................................................................................................................... 27图15.错误报告文件示例............................................................................................................................. 27图16.基于DRAM的存储器系统的高级概述............................................................................................. 29图17. DRAM与NVM写入性能。来源：Everspin Technologies.............................................................. 30图18. DRAM和STT-MRAM的年产能增长[65]......................................................................................... 35图19. STT MRAM单元结构（Spintec inMRAM 2015by Dieny.B）....................................................... 36图20.自旋扭矩转移STT-MRAM的原理[66].............................................................................................. 36图21.新兴记忆表演（Y。De Charantenay，（Yole）InMRAM 2015）................................................36图22.蜂窝调制解调器性能模型的简化表示.............................................................................................图23.映射到模拟任务的平台级块............................................................................................................. 40图24.蜂窝调制解调器性能模型的简化表示2........................................................................................... 42图25.通信应用43的任务图的示例.............................................................................................................图26.在配置文件44内指定任务DL_HDR_0_0..........................................................................................图27.任务图节点......................................................................................................................................... 45的一般参数图28.截止日期检查的输出日志示例......................................................................................................... 46图29. L2协处理器功耗模型定义（使用PwClks47................................................................................... ）图30. tg_constructor的主函数和变量成员................................................................................................. 48图31.功率/性能仿真模型代码生成............................................................................................................ 51图32. OMG的流量基础设施.......................................................................................................................52图33. PwClkingdom元模型53图34.模型到文本转换模式......................................................................................................................... 54图35.图形输入工具的主界面..................................................................................................................... 58图36.表视图示例......................................................................................................................................... 59图37. CLKST、PST和OPPT的XML表示.................................................................................................. 59图38.功率模型示例..................................................................................................................................... 60图39.类UPF输入文件..................................................................................................................................61图40. XML输出语法................................................................................................................................... 62图41.类UPF生成流......................................................................................................................................62图42.图形工具开发的步骤......................................................................................................................... 63图43. 2011年版ITRS 64报告的便携式消费电子设备中逻辑和存储器电路的功耗预期趋势...............图44.通用SDRAM控制器概述[38]............................................................................................................. 65图45. MRAM和DRAM的平均功耗（mW）.............................................................................................67图46. DRAM系统和MRAM系统采用不同技术的归一化能耗[64].........................................................67图47. DCT功率模型示例............................................................................................................................ 69图48. DCT平台的功能行为........................................................................................................................ 69图49. DRAMPower与DCT平台.................................................................................................................. 70的连接图50.将DRAMPower与使用PwClkstrom 71增强的SystemC-TLM模型连接..........................................图51.能量估计的准确性和模拟时间演变与事务数量72图52. N个事务的组的功率评估的示例........ 73图53. N个事务的两个连续窗口的示例..................................................................................................... 75图54. DRAM操作生成................................................................................................................................ 75的示例图55.采用Intel平台76的框架表示..............................................................................................................图56.每个瓦片的时钟频率变化（x=时间[ns]，y=频率[Hz]）............................................................... 78图57.所有瓦片的总动态功耗，其中（x=时间[ns]，y=Pdyn [mW]）....................................................79图58.具有不同时钟频率值的所有瓦片的总动态功耗（x=时间[ns]，y=Pdyn [mW]）.......................... 79图59.具有三种配置的瓦片1的时钟频率变化........................................................................................... 80图60.总能量（x=时间[ns]，y=能量[mJ]）............................................................................................... 80图61.每个瓦片的时钟频率变化（x=时间[ns]，y=频率[Hz]）............................................................... 81图62. LPDDR3 DRAM和MRAM LPDDR3时序和功率参数[64]............................................................ 83图63.禁用组交织的DCT平台的执行时间（a）和能耗（b）..................................................................86图64.启用组交错的DCT平台的执行时间（a）和能量消耗（b）..........................................................88图65.当应用DVFS时DCT平台的执行时间（a）和能量消耗（b），其中库交错被禁用................... 90图66.当应用DVFS时DCT平台的执行时间（a）和能量消耗（b），其中库交错被启用................... 92致谢十年前，我决定，让我们做计算机科学。这是我人生新篇章的开始！今天，我即将结束我在计算机科学领域的教育之旅。写这篇博士论文对我来说是一个真正具有挑战性的经历，如果没有我从许多人那里得到的支持和指导，这是不可能的。首先，我想对我的导师说一声非常感谢。Michel Auguin和Pr.感谢François Verdier在我博士期间以及之前在他们那里实习期间给予我的所有支持，建议和鼓励没有他们的指导和不断的反馈，这个博士学位是不可能实现的。先生Michel Auguin尽管退休了，但他继续纠正报告并与我们合作，对此我我真的需要好心情和我的上司的积极性，以克服我在论文中面临的障碍。谢谢您的支持！此外，我还要感谢英特尔公司资助我攻读博士学位。我还要衷心感谢我的经理Juergen English，感谢他的鼓励和监督作用。我还要感谢瓦莱里奥·弗拉斯科拉在撰写会议文件方面提供的帮助，以及他对我的许多决定的指导。非常感谢Patricia Guitton、Didier Martinot、Ralph Hasholzner、RaimarThudt和Vikas Patil的合作和帮助。这是一个很好的经验与他们合作。我从他们身上学到了很多。我还想感谢我在英特尔慕尼黑的同事，在我的旅行中，我和他们一起吃了很多午餐，喝了很多咖啡！我非常感谢评审团的所有成员，Pascal Benoit先生，David Navarro先生和Arnaud Tisserand先生同意阅读手稿并参与这篇论文的辩护。我也要感谢我所有的朋友，你们知道你们是谁，感谢我们一起度过的时间，减轻了论文的负担，继续以非常好的心情工作。我也要感谢LEAT的所有同事与他们分享了很多乐趣，并创造了一个积极的工作环境。最后但并非最不重要的是，我最大的感谢我的家人：我的母亲玛丽姆和我的父亲纳比尔，我的姐妹里哈布和阿比尔，以及我姐姐的丈夫宰德。你是我生命的源泉！