FPGA'lerde BRAM gerilimi düşürülmesinin güç kazanımı, hata oranı ve sıcaklığın etkileri yönünden araştırılması
The effects of temperature to undervolting in terms of error rate and power and a temperature controlled undervolting method
- Tez No: 603643
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ ERGİN, DR. FATİH SAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Tobb Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek performans, düşük güç tüketimi, tasarım esnekliği sağlaması, basit ve yeniden yapılandırılabilir tasarım özellikleriyle, FPGA'ler gömülü sistemler, savunma ve uzay uygulamaları için donanım hızlandırıcı olarak sıklıkla tercih edilmektedir. FPGA tabanlı tasarımlarda, çalışma voltajı düşürülmesi, enerji verimliliğini arttırmak için çok etkili bir tekniktir. Nominal çalışma voltajından daha düşük gerilimlerde çalıştırılan bu sistemler için, güç tüketimini azaltırken güvenilirlik için hata oluşmasını önlemek de çok önemlidir. Bu amaçla, minimum çalışma geriliminin (Vmin) yani hataların oluşmaya başladığı en düşük gerilim seviyesinin tespit edilmesi bu sistemlerde kritik öneme sahiptir. Çalışma geriliminin düşürülmesi konusundaki önceki araştırmalarda, FPGA'ler içerisindeki BRAM belleklerinin, üretici tarafından belirtilen nominal voltajın %39 altına kadar güvenli bir şekilde çalıştırılmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada, silikon sıcaklığının hatasız çalışılabilen minimum besleme gerilimi olan Vmin üzerinde çok etkili olduğu gösterilmiştir. Yapılan ölçümlerde, silikon sıcaklığı arttıkça daha fazla güç kazanımı elde edebilmek için BRAM'lerin çalışma gerilimlerini artan sıcaklığa bağlı olarak azaltmanın, güvenilir çalışmayı bozmadığı görülmüştür. Bu davranışı gözlemleyebilmek için çalışma voltajı düşürülmesi işlemi -30 ℃ ve + 82 ℃ silikon sıcaklığı arasındaki sıcaklık değerlerinde analiz edilmiştir. Yapılan analizlerde, FPGA BRAM'ler için hatasız çalışılabilen minimum besleme gerilimi olan Vmin değerinin bu sıcaklık aralığında sıcaklığa bağlı olarak değiştiği ve bu sayede yüksek sıcaklıklarda %9 daha fazla güç tasarrufu yapılabileceği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, çalışma voltajı düşürülmesi uygulamalarında güç tüketimini daha çok azaltırken güvenilir çalışmayı da bozmamak için FPGA'in silikon sıcaklığını okuyan, bu sıcaklıkta hatasız çalışılabilen en düşük besleme gerilimini belirleyen ve FPGA BRAM'lerin besleme gerilimini bu değere ayarlayan bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntem sayesinde, sadece % 0.04 ek kaynak kullanımıyla enerji tüketiminde % 40'a varan kazanç elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Due to high performance, low power usage, design flexibility, simple and reconfigurable design ability, FPGAs are chosen as hardware accelerators for embedded, defense and space applications. In FPGA based design, scaling supply voltage is a very effective technique to improve energy efficiency. For the systems which use undervolting, it is also important to avoid errors for reliability while reducing power consumption. For this purpose, detecting the minimum voltage, Vmin, lowest voltage value which does not cause any errors, is critical. Through the previous research on undervolting, it has been shown that it is possible to operate on-chip BRAM memories of FPGAs safely up to 39% below the vendor specified nominal voltage. In this paper we show that the effect of junction temperature is crucial on the exact level of Vmin of the supply voltage of BRAMs. While the junction temperature of FPGA is increased, it is safe to decrease Vmin of the supply voltage of BRAM further to achieve more power efficiency. We analyzed the whole behavior of scaling supply voltage between -30℃ and +82℃ junction temperature. We also observed that minimum safe voltage for FPGA BRAMs varies in this temperature range and it is possible to save up to 9% more power. For a reliable and energy efficient undervolting operation, we propose a method that reads the junction temperature of FPGA and adjusts the supply voltage of FPGA BRAMs for a safe undervolting at this temperature. By the help of this method, we achieved up to 40% decrease in power consumption with only an additional 0.04% resource usage.
Benzer Tezler
- Implementation of the YOLOv8 convolutional neural network block on FPGA
YOLOv8 evrişimsel sinir ağı bloğunun FPGA üzerinde gerçeklenmesi
CELİLŞAMİL İLHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
İstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Custom hardware optimizations for reliable and high performance computer architectures
Güvenilir ve yüksek performanslı bilgisayar mimarileri için özel donanım optimizasyonları
HAMZEH AHANGARI
Doktora
İngilizce
2020
İhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Implementierung, Test und Bewertung von Methoden zur Reduktion der Verlustleistung durch Nutzung der dynamischen und partiellen Rekonfiguration auf Xilinx Spartan-III FPGAs
Xilinx Spartan-III FPGA'lerde dinamik ve kısmi yeniden yapılandırma kullanarak güç tüketimini azaltmaya yönelik yöntemlerin uygulanması, test edilmesi ve değerlendirilmesi
SALİH BAYAR
Yüksek Lisans
Almanca
2007
Karlsruher Instıtut Fur TechnologıeElektronik ve Enformasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Detection and correction of single event effects in sram-based fpgas
Sram tabanlı FPGA'lerde tekil olay etkilerinin tespiti ve düzeltilmesi
MEHMET CAN BALIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Yıldız Teknik ÜniversitesiAviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- A true random number generator in FPGA for cryptographic applications
Kripto uygulamaları için FPGA üzerinde gerçek rassal sayı üreteci
SALİH YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Orta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...