2018 Fiscal Year Annual Research Report
IoT社会の実現を目指した次世代コンピューティング基盤の研究
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17H01712
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
石原 亨 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (30323471)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小野寺 秀俊 京都大学, 情報学研究科, 教授 (80160927)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | マイクロプロセッサ / 低消費電力・高エネルギー密度 / エネルギー効率化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
商用の65nm CMOSプロセステクノロジを使用し、動的電圧制御（電源電圧とバックゲートバイアス）を可能とするプロセッサを試作した。プロセッサ設計にはオープンソースコアであるRISC-Vを使用した。平成29年度に試作した各種要素回路の評価結果をフィードバックし、各種センサを備えたプロセッサとして実現した。1.2Vから0.3Vまでのニアスレッショルド電圧（しきい値電圧近傍の電源電圧）およびサブスレッショルド電圧（しきい値電圧以下の電源電圧）での動作を実チップにより実証した。また、プロセッサの動作状況および発電システムの発電状況に応じて、１）最小エネルギー動作、２）最小電力動作、３）最低電圧動作、をソフトウェアから最適に制御するプロセッサの動的電圧制御メカニズムを構築した。事前に作成した線形近似モデルと温度センサおよび電流センサの値からプロセッサの最適な動作点（電源電圧としきい値電圧の組）を実行時に計算する機構を構築した。研究の成果は国内外の関連する会議で発表した。
過去に試作した環境発電技術を発展させ、太陽光だけでなく風力や体温あるいは振動などから効率良く電力を創りだす環境発電システムのアーキテクチャ開発の検討を開始した。内蔵キャパシタを用いて、環境から取り入れた電力をバッテリや各種機器へ適切にスケジューリングする技術を検討した。さらに、過去に試作した環境発電システムを再設計し、ソフトウェアからの制御を容易にするメカニズムを構築した。これにより、乾電池と環境発電池のミックス電源でプロセッサを10年継続動作させるシステムの構築を狙う。環境発電システムに関する成果は電気化学会キャパシタ技術委員会の招待講演にて発表した。さらには、発電装置、蓄電池、プロセッサシステムおよびアプリケーションプログラムの動作を総合的に考慮し、システム全体をOSから統合的に管理する電力管理技術を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度目標としていた、プロセッサの最小エネルギー動作点追従技術をソフトウェアプログラムとして実装した。また、上記ソフトウェア制御プログラムを実プロセッサチップ上で実行し有効性を確認した。最小エネルギー動作点追従技術は、パソコンやデータセンタなどの汎用システム向け技術と組み込みリアルタイムシステム向けの技術に分けて整理し、OSによる電圧制御手法の要件を明らかにした。本研究の成果は、国際招待論文1件、国際招待講演1件、国内招待講演1件、国際会議論文2件、および国内研究会論文5件として発表した。また、本研究の成果に対し、下記4つの賞を受賞し、内外から高い評価を得た。
１）2019年3月 情報処理学会2018年度山下記念研究賞 (保木本 修) "最小エネルギー動作点追跡アルゴリズムの実チップ評価"、２）2018年8月 平成30年度システムとLSI設計技術研究会 優秀論文賞 (塩見 準) "アクセス頻度に応じた電圧調節によるオンチップメモリの消費エネルギー最小化"、３）2018年8月 IEEE CEDA All Japan Joint Chapter Academic Research Award (保木本 修) "Validation of Minimum Energy Point Tracking Algorithm with a Real Microprocessor Chip"、４）2018年6月 電子情報通信学会 論文賞 (Tatsuya Kamakari, Jun Shiomi, Tohru Ishihara, and Hidetoshi Onodera) "Analytical Stability Modeling for CMOS Latches in Low Voltage Operation"
上述の通り、本研究課題は当初の目標に従って順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、プロセッサの動作電圧と環境発電システムの構成をソフトウェアから最適に制御するための要件を明らかにした。平成31年度は、上記の結果に基づき、平成30年度に構築したソフトウェア制御技術を拡張して商用のリアルタイムOSに電圧制御技術を移植することを目標とする。具体的には過去の資産を流用し組込みリアルタイムOSであるToppers OS上に実装する。また、これまでの最適電圧制御技術の検討により、パソコンやデータセンタなどに使われる汎用プロセッサと組込みリアルタイムシステムに使われる組込みプロセッサでは電圧制御方針が異なるが明らかになった。従って、汎用プロセッサ向けと組込むプロセッサ向けに別々の電圧管理OSを実装する。具体的には、汎用プロセッサでは、プロセッサに要求される動作性能が明示的に指定されることがないため、実行待ちのプロセスの数に応じて動作電圧を変更するアルゴリズムを実装する。これにより、汎用プロセッサの負荷や温度およびデバイスの経年劣化に応じて常に最適な動作電圧でプロセッサを動作させる電力管理OS技術を確立する。一方、組込みリアルタイムシステムでは、プロセッサ上で実行されるタスクが事前に分かっているため、タスクの特性をプロファイリングによって事前にキャラクタライズする手法を構築する。具体的には、最悪実行時間（WCET）や活性化率をタスクごとにキャラクタライズする。次に、上記WCETと活性化率に加えて、実行時の温度やトランジスタの劣化度合い、および各タスクに要求される性能に基づいて最適な動作転圧をリアルタイムに計算するアルゴリズムを構築する。これにより、乾電池と環境発電池のミックス電源を電力源とするプロセッサシステムの10年継続動作の実証（一定期間のエネルギー消費により評価）を目指す。
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