Architecture and Circuit-Level Co-Design for Low-Power High-Performance Microprocessor

• Project/Area Number: 18200002
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Computer system/Network
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: NAKAMURA Hiroshi The University of Tokyo, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20212102)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): NAKAMURA HIROSHI 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20212102) ; IMAI MASASHI 東京大学, 駒場オープンラボラトリー, 特任准教授 (70323665) ; KONDO MASAAKI 電気通信大学, 大学院・情報システム学研究科, 准教授 (30376660) ; USAMI KIMIYOSHI 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (20365547)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥48,880,000 (Direct Cost: ¥37,600,000、Indirect Cost: ¥11,280,000); Fiscal Year 2008: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2007: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000); Fiscal Year 2006: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
• Keywords: 低消費電力 / 動的リーク電力 / パワースイッチ / 命令実行制御 / 命令時効制御

Research Abstract

本研究では、パワースイッチと呼ばれる回路技術を活用したパワーゲーティング手法を用いて、高性能プロセッサの低消費電力化を実現することを目指した研究を遂行した。回路技術とアーキテクチャ、コンパイラという異なる設計階層間の協調により電源制御を統合的に行なった点が特徴である。それぞれの階層間が協調して低電力化を達成するための基盤技術として、パワーゲーティングを有効活用するための命令レベルにおける制御手法、コードの解析によるソフトウェアからの指示に基づくパワーゲーティングを実現するコンパイラ手法、パワースイッチによる空間的・時間的なオーバーヘッドを低減する回路技術の開発を行なった。また、シミュレーション評価によりこれらの手法がプロセッサのリーク電力を大幅に削減可能であることを示した。

Research Products

• [Journal Article] トラクションコントロール実行 : CMP向けプロセス実行制御方式の提案 (2008)
  • Author(s): 近藤正章, 佐々木広, 中村宏
  • Journal Title: 情報処理学会論文誌 コンピューティングシステム(ACS) Vol.1, No.2 Pages: 111-123
  • NAID: 110007990177
• [Journal Article] モデリングに基づくWebサーバ用計算機クラスタの低消費電力化 (2008)
  • Author(s): 大谷貴胤, 佐々木広, 近藤正章, 中村宏
  • Journal Title: 情報処理学会論文誌 コンピューティングシステム(ACS) Vol.1, No.1 Pages: 120-132
  • NAID: 110007990161
• [Journal Article] リーク電力削減のためのコンパイラによるスリープ制御の初期検討 (2008)
  • Author(s): 薦田登志矢
  • Journal Title: 情報処理学会研究報告 2008-ARC-180 Pages: 33-38
• [Journal Article] ランタイムパワーゲーティングを適用した低電力乗算器の設計試作及び実測による性能評価 (2008)
  • Author(s): 中田光貴
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 VLD2008-162 Pages: 213-218
• [Journal Article] オンチップ・リークモニタの65nmプロセスでの実装設計と評価 (2008)
  • Author(s): 小山慧
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 VLD2008-163 Pages: 219-224
• [Journal Article] 走行時パワーゲーティングのための命令実行制御手法の検討 (2008)
  • Author(s): 高木 紀子, 近藤 正章, 中村 宏
  • Journal Title: 情報処理学会研究報告 2008-ARC-17 Pages: 97-102
  • NAID: 110006827721
• [Journal Article] CMP 向け動的電源電圧・周波数制御手法 (2007)
  • Author(s): 近藤正章, 中村宏
  • Journal Title: 情報処理学会論文誌 Vol.48, No.SIG13(ACS19) Pages: 260-269
  • NAID: 110006367099
• [Journal Article] トラクションコントロール実行:CMP向け実行制御方式の検討 (2007)
  • Author(s): 近藤 正章, 佐々木 広, 中村 宏
  • Journal Title: 情報処理学会研究報告 2007-ARC-17 Pages: 79-84
  • NAID: 110006420488
• [Journal Article] CMPにおけるリソース競合に着目した性能の解析とモデリング (2007)
  • Author(s): 佐々木 広, 近藤 正章, 中村 宏
  • Journal Title: 情報処理学会研究報告 2007-ARC-17 Pages: 85-90
  • NAID: 110006420489
• [Journal Article] ランタイムパワーゲーティングをテ寄与した乗算器を用いた消費電力に影響する要因の解析 (2007)
  • Author(s): 武田清大, 香嶋俊裕, 白井利明, 大久保直昭, 宇佐美公良
  • Journal Title: 電子情報通信学会VLD/ICD研究会 VLD2006-154 Pages: 81-85
• [Journal Article] Delay Modeling and Critical-path Delay Calculation for MTCMOS Circuits, IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics (2006)
  • Author(s): N. Ohkubo and K. Usami
  • Journal Title: Communications and Computer Sciences Vol.E89-A, NO.12 Pages: 3482-3490
• [Journal Article] Design Method of High Performance and Low Power Functional Units Considering Delay Variations (2006)
  • Author(s): K. Watanabe, M. Imai, M. Kondo, H. Nakamura, and Takashi Nanya
  • Journal Title: IEICE Trans on Fundamentals Vol.E89-A, No.12 Pages: 3519-3528
  • NAID: 110007537855
• [Journal Article] 統計処理に基づく動的電源電圧制御手法 (2006)
  • Author(s): 佐々木広, 浅井雅司, 池田佳路, 近藤正章, 中村宏
  • Journal Title: 情報処理学会論文誌 Vol.47, No.SIG18(ACS 16) Pages: 80-91
• [Journal Article] 走行時パワーゲーティングを適用した低消費電力乗算器のアーキテクチャ設計 (2006)
  • Author(s): 香嶋俊裕, 武田清大, 大久保直昭, 白井利明, 宇佐美公良
  • Journal Title: 電子情報通信学会研究会デザインガイア VLD2006-73 Pages: 7-12
  • NAID: 110005717363
• [Journal Article] 走行時パワーゲーティングを適用した低消費電力乗算器の物理設計と試作 (2006)
  • Author(s): 武田清大, 香嶋俊裕, 大久保直昭, 白井利明, 宇佐美公良
  • Journal Title: 電子情報通信学会研究会デザインガイア VLD2006-74 Pages: 13-18
  • NAID: 110005717364
• [Journal Article] 細粒度動的スリープ制御による動作時リーク電力低減手法 (2006)
  • Author(s): 大久保直昭, 宇佐美公良
  • Journal Title: 情報処理学会DAシンポジウム2006論文集,IPSJ Symposium Series Vol.2006,No.7 Pages: 199-204
• [Journal Article] 統計処理に基づく動的電源電圧制御手法 (2006)
  • Author(s): 佐々木 広, 浅井 雅司, 池田 佳路, 近藤 正章, 中村 宏
  • Journal Title: 情報処理学会論文誌 Vol.47,No.SIG18(ACS 16) Pages: 80-91
• [Journal Article] リーク電力削減のための細粒度命令スケジューリング手法の検討 (2006)
  • Author(s): 近藤正章, 中村宏
  • Journal Title: 情報処理学会研究報告 ARC-170(9) Pages: 49-54
  • NAID: 110005717703
• [Presentation] Cooperative Shared Resource Access Control for Low-Power Chip Multiprocessors (2009)
  • Author(s): N. Takagi, H. Sasaki, M. Kondo, and H. Nakamura
  • Organizer: 15th International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED'09)
  • Place of Presentation: (to appear)
• [Presentation] ランタイムパワーゲーティングを適用した低電力乗算器の設計試作及び実測による性能評価 (2009)
  • Author(s): 中田光貴, 白井利明, 武田清大, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告
  • Place of Presentation: (vol.108, no.478, VLD2008-162)(213-218)
• [Presentation] オンチップ・リークモニタの65nmプロセスでの実装設計と評価 (2009)
  • Author(s): 小山慧, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告
  • Place of Presentation: (vol.108, no.478, VLD2008-163)(219-224)
• [Presentation] 太L-パワースイッチが消費電力と遅延に及ぼす影響 (2009)
  • Author(s): 増田大樹, 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2009 総合大会, A-3-1
• [Presentation] 低電圧パワーゲーティング回路の遅延ばらつき解析 (2009)
  • Author(s): 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2009 総合大会, A-3-2
• [Presentation] スタティックタイミング解析を可能にするパワースイッチの時間的共有化手法 (2009)
  • Author(s): 山本辰也, 抱山冴子, 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2009 総合大会, A-3-3
• [Presentation] 命令レベル並列アーキテクチャを有するCPUにおけるパワーゲーティングの有効性に関する研究 (2009)
  • Author(s): 武藤徹也, 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2009 総合大会, D-6-4
• [Presentation] Design and Implementation of Fine-grain Power Gating with Ground Bounce Suppression (2009)
  • Author(s): K.Usami, T.Shirai, T.Hashida, H.Masuda, S.Takeda, M.Nakata, N.Seki, H.Amano, M.Namiki, M.Imai, M.Kondo, and H.Nakamura
  • Organizer: 22nd International Conference on VLSI Design (VLSI Conference'09)
  • Place of Presentation: (381-386)
• [Presentation] 走行時パワーゲーティングのための命令実行制御手法の提案 (2008)
  • Author(s): 近藤正章
  • Organizer: 先進的計算基盤システムシンポジウムSACSIS2008
  • Place of Presentation: 筑波
  • Year and Date: 2008-06-12
• [Presentation] Hybrid Design of Dual Vth and Power Gating to Reduce Leakage Power under Vth Variations (2008)
  • Author(s): T.Shirai and K.Usami
  • Organizer: International SoC Design Conference 2008(ISOCC'08)
  • Place of Presentation: (310-313)
• [Presentation] マルチ閾値電圧トランジスタを用いた2線2相式非同期式回路のリーク電力削減手法 (2008)
  • Author(s): 高田幸永, 今井雅, 中村宏, 南谷崇
  • Organizer: 電子情報通信学会技術研究報告
  • Place of Presentation: (VLD-2008-90)(183-188)
• [Presentation] リーク電力削減のためのコンパイラによるスリープ制御の初期検討 (2008)
  • Author(s): 薦田登志矢, 佐々木広, 近藤正章, 中村宏
  • Organizer: 情報処理学会研究報告ARC-180
  • Place of Presentation: (33-38)
• [Presentation] CMPの統計的モデリングによる実行時最適化手法 (2008)
  • Author(s): 佐々木広, 近藤正章, 中村宏
  • Organizer: 情報処理学会研究報告ARC-179
  • Place of Presentation: (31-36)
• [Presentation] ヘテロ構成を考慮したWebサーバ用クラスタシステムの性能と電力のモデリング (2008)
  • Author(s): 大谷貴胤, 佐々木広, 近藤正章, 中村宏
  • Organizer: 情報処理学会研究報告ARC-179
  • Place of Presentation: (157-162)
• [Presentation] Power-Switch Clustering Method for Static Timing Analysis (2008)
  • Author(s): T.Hashida, K.Usami
  • Organizer: 23rd International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC'08)
  • Place of Presentation: (217-220)
• [Presentation] Power Reduction Technique for Dynamic Reconfigurable Processors with Dynamic Assignment of Dual Supply Voltages (2008)
  • Author(s): Y.Umahashi, Y.Kambayashi, M.Kato, Y.Hasegawa, H.Amano, and K.Usami
  • Organizer: 23rd International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC'08)
  • Place of Presentation: (213-216)
• [Presentation] Design and Analysis of On-chip Leakage Monitor using an MTCMOS circuit (2008)
  • Author(s): S.Koyama, S.Takeda, and K.Usami
  • Organizer: 23rd International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC'08)
  • Place of Presentation: (205-208)
• [Presentation] 走行時パワーゲーティングのための命令実行制御手法の提案 (2008)
  • Author(s): 近藤正章, 高木紀子, 中村宏
  • Organizer: 第6回先進的計算基盤システムシンポジウムSACSIS 2008
  • Place of Presentation: (73-80)
• [Presentation] トラクションコントロール実行 : CMP向けプロセス実行制御方式の提案 (2008)
  • Author(s): 近藤正章, 佐々木広, 中村宏
  • Organizer: 第6回先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS 2008
  • Place of Presentation: (265-272)
• [Presentation] 共有資源の優先度制御によるチップ・マルチプロセッサの省電力化手法 (2008)
  • Author(s): 椎名公康, 近藤正章, 今井雅, 中村宏, 南谷崇
  • Organizer: 第6回先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS 2008
  • Place of Presentation: (317-324)
• [Presentation] 2電源電圧手法による動的リコンフィギャラブル・プロセッサの低消費電力化 (2008)
  • Author(s): 馬橋雄祐, 神林侑希, 宇佐美公良, 加東勝, 長谷川揚平, 天野英晴
  • Organizer: 電子情報通信学会2008総合大会, D-18-4
• [Presentation] パワーゲーティング手法によるCPUのレジスタファイルの消費電力低減化技術 (2008)
  • Author(s): 大木亮, 高木一光, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2008総合大会, A-3-11
• [Presentation] スタティックタイミング解析を可能にするパワースイッチ共有化手法 (2008)
  • Author(s): 橋田達徳, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2008総合大会, A-3-10
• [Presentation] パワースイッチの実現方式が速度と消費電力に及ぼす影響の研究 (2008)
  • Author(s): 会田真弘, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会2008総合大会, A-3-9
• [Presentation] MTCMOS回路を利用したオンチップ・リークモニタの設計と評価 (2008)
  • Author(s): 小山慧, 武田清大, 宇佐美公良
  • Organizer: 信学技報
  • Place of Presentation: (vol.107, no.507, VLD2007-146)(13-18)
• [Presentation] ランタイムパワーゲーティングを適用したMIPS R3000 プロセッサの実装設計と評価 (2008)
  • Author(s): 白井利明, 香嶋俊裕, 武田清大, 中田光貴, 宇佐美公良, 長谷川揚平, 関直臣, 天野英晴
  • Organizer: 信学技報
  • Place of Presentation: (vol.107, no.414, VLD2007-112)(43-48)
• [Presentation] ランタイムパワーゲーティングを適用した回路での検証環境と電力見積もり手法の構築 (2008)
  • Author(s): 中田光貴, 白井利明, 香嶋俊裕, 武田清大, 宇佐美公良, 関直臣, 長谷川揚平, 天野英晴
  • Organizer: 信学技報
  • Place of Presentation: (vol.107, no.414, VLD2007-111)(37-42)
• [Presentation] CMP向け動的電源電圧・周波数剃御手法 (2007)
  • Author(s): 近藤 正章, 中村 宏
  • Organizer: 先進的計算基盤システムシンポジウムSACSIS2007
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-05-24
• [Presentation] 走行時パワーゲーティングを適用した低消費電力乗算器の試作による電力評価 (2007)
  • Author(s): 香嶋俊裕, 武田清大, 白井利明, 大久保直昭, 宇佐美公良
  • Organizer: 信学技報
  • Place of Presentation: (vol.107, no.195, ICD2007-80)(63-68)
• [Presentation] Overview on Low Power SoC Design Technology (2007)
  • Author(s): K.Usami
  • Organizer: IEEE/ACM Asia and South Pacific Design Automation Conference (ASP-DAC'07)
  • Place of Presentation: (invited paper)(634-636)
• [Presentation] トラクションコントロール実行 : CMP向け実行制御方式の検討 (2007)
  • Author(s): 近藤正章, 佐々木広, 中村宏
  • Organizer: 情報処理学会研究報告ARC-174
  • Place of Presentation: (79-84)
• [Presentation] CMPにおけるリソース競合に着目した性能の解析とモデリング (2007)
  • Author(s): 佐々木広, 近藤正章, 中村宏
  • Organizer: 情報処理学会研究報告 ARC-174
  • Place of Presentation: (85-90)
• [Presentation] パワースイッチを共有したMTCMOS回路の遅延時間解析手法 (2007)
  • Author(s): 伊藤総一, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会講演論文集
  • Place of Presentation: (Vol.2007年 基礎・境界(20070307))(98)
• [Presentation] LSIの動的スリープ制御における高速復帰技術 (2007)
  • Author(s): 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会講演論文集
  • Place of Presentation: (Vol.2007年基礎・境界(20070307))(103)
• [Presentation] FPGAを利用した動的スリープ制御信号の動作解析 (2007)
  • Author(s): 桐原啓介, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会講演論文集
  • Place of Presentation: (Vol.2007年基礎・境界(20070307))(104)
• [Presentation] 2電源を用いたFPGAにおける消費電力低減化技術 (2007)
  • Author(s): 秋元裕美, 野島俊孝, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会講演論文集
  • Place of Presentation: (Vol.2007年基礎・境界(20070307))(105)
• [Presentation] ランタイムパワーゲーティングを適用した乗算器を用いた消費電力に影響する要因の解析 (2007)
  • Author(s): 武田清大, 香嶋俊裕, 白井利明, 大久保直昭, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会VLD/ICD研究会
  • Place of Presentation: (VLD2006-154)(81-85)
• [Presentation] 走行時パワーゲーティングを適用した低消費電力乗算器のアーキテクチャ設計 (2006)
  • Author(s): 香嶋俊裕, 武田清大, 大久保直昭, 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会研究会デザインガイア
  • Place of Presentation: (VLD2006-73)(7-12)
• [Presentation] 走行時パワーゲーティングを適用した低消費電力乗算器の物理設計と試作 (2006)
  • Author(s): 武田清大, 香嶋俊裕, 大久保直昭, 白井利明, 宇佐美公良
  • Organizer: 電子情報通信学会研究会デザインガイア
  • Place of Presentation: (VLD2006-74)(13-18)
• [Presentation] リーク電力削減のための細粒度命令スケジューリング手法の検討 (2006)
  • Author(s): 近藤正章, 中村宏
  • Organizer: 情報処理学会研究報告
  • Place of Presentation: (ARC-170)(49-54)
• [Presentation] A Design Approach for Fine-grained Run-Time Power Gating using Locally Extracted Sleep Signals (2006)
  • Author(s): K.Usami and N.Ohkubo
  • Organizer: IEEE International Conference on Computer Design (ICCD'06)
  • Place of Presentation: (155-161)
• [Presentation] 細粒度動的スリープ制御による動作時リーク電力低減手法 (2006)
  • Author(s): 大久保直昭, 宇佐美公良
  • Organizer: 情報処理学会DAシンポジウム2006論文集, IPSJ Symposium Series
  • Place of Presentation: (Vol.2006, No.7)(199-204)