多核高性能计算处理器的建模与控制：PID算法和移动平均算法的替代方案

《ACM Transactions on Autonomous and Adaptive Systems》：Modeling and Controlling Many-Core HPC Processors: an Alternative to PID and Moving Average Algorithms

热管理和电源耦合在异构多核处理器芯片（HPC MPSoC）中的研究。提出基于模糊控制的温度抑制策略和电压共享优化方法，实验显示最大超温降低5倍，平均执行时间提升3.56%。

　　

摘要

为了提升性能和计算能力，芯片的设计变得越来越复杂和多样化，同一块单芯片或芯片级硅片上集成了越来越多的核心。更高的集成密度，加上技术驱动的功耗降低速度放缓，使得功耗和热管理变得越来越重要。遗憾的是，现有研究缺乏对热、功耗和电气耦合效应的详细分析和建模，以及如何综合考虑这些效应以实现对复杂异构多系统芯片（MPSoC）的动态控制。为了弥补这一不足，本文首先针对现代高性能计算（HPC）MPSoC提出了一个详细的热功耗模型。我们考虑了实际存在的耦合效应，例如执行器的非理想特性，以及单个处理元件中功耗、温度状态和电压水平之间的指数关系。我们分析了这些因素如何影响控制算法的行为，并指出了它们所带来的挑战。基于这些分析，我们提出了一种受模糊控制理论启发的热限制策略，以替代现有的PID控制器，并采用了一种迭代寻根方法来最优地选择同一电压域内各核心之间的共享电压值。我们通过模型在环（Model-in-the-Loop, MiL）和硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HiL）联合仿真对所提出的控制器进行了评估。结果显示，与现有方法相比，该控制器在最大温度超标方面实现了高达$5倍$的改进，并且在所有评估场景中平均提升了$3.56\%$的应用执行速度。