Strategy to reduce thermal cycles for real-time multiprocessor systems-on-chip

Stratégie de réduction des cycles thermiques pour systèmes temps-réel multiprocesseurs sur puce

Khaled Baati (1)

1 LEAT - Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications

Increasing the density of transistors in electronic circuits leads to an increase in energy consumption resulting in more complex thermal phenomena to master. For systems embedded in environments where the ambient temperature can vary in large range (e.g. automotive), these thermal effects can induce reliability problems. Among classical failure mechanisms thermal cycles (CTs) produce deformations in materials and play a major role in the cracking of the metal layers in the chip. The aim of the thesis is to propose a reduction technique of CTs suffered by the processor cores in a multiprocessor on chip architecture such that real-time application constraints are met. The example of the Freescale MPC5517 circuit has been considered. In a first step a thermal model of this circuit was developed. This was achieved from measurements taken by a thermal camera on a decapsulated circuit. Next, a simulation environment has been implemented allowing both the analysis of thermal behavior and the scheduling of tasks so as to highlight the influence of temperature on the dissipated power. A global heuristic to reduce both the CTs and the maximum temperature of processors has been studied. It takes into account variations in the ambient temperature and is based on DVFS and DPM techniques. Simulation results with global scheduling algorithms RM, EDF and EDZL and different processor loads (for a MPC5517 type circuit and a T1 UltraSparc from Sun Microsystems) illustrate the effectiveness of the proposed technique.

L'augmentation de la densité des transistors dans les circuits électroniques conduit à une augmentation de la consommation d'énergie induisant des phénomènes thermiques plus complexes à maitriser. Dans le cas de systèmes embarqués en environnement où la température ambiante varie dans des proportions importantes (automobile par exemple), ces phénomènes peuvent conduire à des problèmes de fiabilité. Parmi les mécanismes de défaillance observés, on peut citer les cycles thermiques (CT) qui induisent des déformations dans les couches métalliques de la puce pouvant conduire à des fissurations. L’objectif de la thèse est de proposer pour des architectures de type multiprocesseur sur puce une technique de réduction des CT subis par les processeurs, et ce en respectant les contraintes temps réel des applications. L’exemple du circuit MPC5517 de Freescale a été considéré. Dans un premier temps un modèle thermique de ce circuit a été élaboré à partir de mesures par une caméra thermique sur ce circuit décapsulé. Un environnement de simulation a été mis en oeuvre pour permettre d’effectuer simultanément des analyses thermiques et d’ordonnancement de tâches et mettre en évidence l’influence de la température sur la puissance dissipée. Une heuristique globale pour réduire à la fois les CT et la température maximale des processeurs a été étudiée. Elle tient compte des variations de la température ambiante et se base sur les techniques DVFS et DPM. Les résultats de simulation avec les algorithmes d’ordonnancement globaux RM, EDF et EDZL et avec différentes charges processeur (sur un circuit type MPC5517 et un UltraSparc T1) illustrent l’efficacité de la technique proposée.

Mots clés: Low-power; Reliability; Real time scheduling; Multiprocessor-system on chip; Temperature aware system-level design; Themal cycles; Co-simulation

Mots clés: Basse consommation; Fiabilité; Cycles thermiques; Co-simulation; Ordonnancement temps réel; Système sur puce; Conception système; Modélisation thermique

Domaines: Autre [cs.OH]

Khaled Baati. Stratégie de réduction des cycles thermiques pour systèmes temps-réel multiprocesseurs sur puce. Autre [cs.OH]. Université Nice Sophia Antipolis, 2013. Français. ⟨NNT : 2013NICE4141⟩. ⟨tel-00947611v2⟩