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http://hdl.handle.net/1843/38083| Tipo: | Tese |
| Título: | Post-synthesis manipulation of field-coupled nanocomputing circuits for fundamental energy reduction |
| Autor(es): | Jeferson Figueiredo Chaves |
| primer Tutor: | Omar Paranaiba Vilela Neto |
| primer miembro del tribunal : | Renato Perez Ribas |
| Segundo miembro del tribunal: | Frank Sill Torres |
| Tercer miembro del tribunal: | Luiz Filipe Menezes Vieira |
| Cuarto miembro del tribunal: | Mário Sérgio Ferreira Alvim |
| Resumen: | Progress in computer performance is promoted on several fronts. Initiatives such as the implementation of optimal algorithms, parallelization of algorithms and architectures, and, at a lower level, Moore's Law, have guaranteed performance evolution. The latter, in particular, already shows clear signs of exhaustion, imposing on industry and academia the search for alternatives. The reason is heat generation, which has been one of the main obstacles to reducing digital devices' dimensions. Landauer investigated the origin of this problem and demonstrated analytically in 1961 that the cause is the erasure of information in each logic gate. This fundamental energy limit, named Landauer's Principle, was experimentally proven in 2012, indicating that there is indeed a limit on energy scalability for conventional computer systems. In this work, we introduce approaches to reduce those losses by applying post-synthesis methods. First, we propose a novel method to divide Partially Reversible Pipelined circuits into stages, computing the optimal energy vs. throughput tradeoff. Specifically, we develop an algorithm that, given the circuit, it returns the division that yields the minimum possible energy dissipation while considering a minimum throughput restriction. We also developed an optimal algorithm that, given the maximum energy restriction, finds the maximum possible throughput. Therefore, the designer can have the best partially reversible pipelined circuit configuration according to its project requirements. Computational experiments show that our algorithm outperforms the state-of-the-art algorithm from the literature in solution's quantity and quality, being able to dominate about 56% of its best solutions and to generate 11X more solutions, on average. The other strategy is a novel technique that identifies exploitable fan-outs and uses them to reduce energy losses in FCN circuits, thus enabling the design of new types of partially reversible systems. Moreover, we propose an algorithm that creates partially reversible systems while allowing the designer to choose between energy reduction with no effect on the delay or focus solely on energy and accepting a potential delay penalty. Simulation results for state-of-the-art benchmarks indicate an average reduction of the fundamental energy limit by 44% without affecting the delay. If delay is not the main concern, the average reduction reaches even 77%. Finally, we present a unified analysis of both partially reversible systems. These efforts open new perspectives in designing FCN systems where energy efficiency is mandatory. |
| Abstract: | O avanço no desempenho de computadores é promovido em diversas frentes. Iniciativas como a implementação de algoritmos ótimos, paralelização de algoritmos e arquiteturas e, em um nível mais baixo, a Lei de Moore, têm garantido a evolução do desempenho. Essa última, em especial, já apresenta claros sinais de esgotamento impondo à indústria e à academia a busca de alternativas. Isso ocorre porque a geração de calor tem sido um dos principais entraves na continuidade da redução das dimensões dos dispositivos digitais. Landauer investigou a origem deste problema e demonstrou analiticamente em 1961 que a causa é o apagamento de informação que ocorre em cada porta lógica. O Princípio de Landauer, nome pelo qual este limite energético fundamental ficou conhecido, foi provado experimentalmente em 2012 indicando que de fato há um limite na escalabilidade energética para sistemas computacionais convencionais. Neste trabalho, são identificadas e exploradas oportunidades de redução dos limites energéticos fundamentais em circuitos digitais de dispositivos de acoplamento local de campo. As estratégias propostas de redução do apagamento de informação são baseadas em manipulações na temporização ou no leiaute dos circuitos após o processo de síntese lógica. Avaliando o impacto das alterações da temporização sobre um conjunto de benchmarks do estado-da-arte, foi observado que há um grande espaço de configurações para os circuitos. Neste caso há um compromisso entre vazão e energia onde a melhora de uma destas métricas implica na degradação da outra. Através da análise deste espaço de configurações foi possível indicar estratégias ótimas que permitem melhorar uma métrica e minimizar a degradação da outra. Especificamente, foi desenvolvido um algoritmo que, dada a rede lógica de um circuito, retorna a configuração que produz a energia dissipada mínima enquanto considerada uma restrição mínima de vazão. Também foi desenvolvido um algoritmo em que dada uma restrição máxima de energia, encontra a vazão máxima. Desta forma, um projetista pode encontrar a melhor configuração de temporização dado seus requisitos de projeto. Experimentos demonstraram que os algoritmos propostos superam o algoritmo do estado-da-arte em qualidade e quantidade de soluções, sendo capaz de dominar 56% das melhores soluções e gerar 11⇥ mais soluções em média. Outra contribuição deste trabalho é a proposta de um novo tipo de sistema parcialmente reversível. A estratégia de redução de perdas energéticas consiste na mudança de leiaute do circuito de forma a incorporar derivações (fanouts) em portas lógicas. Observa-se neste caso que os limites energéticos fundamentais podem ser reduzidos em média em 44% sem nenhum atraso adicional dos sinais lógicos. Caso atrasos não sejam um problema, a redução média pode alcançar até 77%. Por fim, foi realizada uma análise unificada dos sistemas resultantes de cada estratégia. Estes esforços apresentados criam novas perspectivas para o projeto de circuitos de dispositivos de acoplamento local de campo onde a eficiência energética é essencial. |
| Asunto: | Computação – Teses Sistemas digitais – Teses. Arquitetura de computador – Teses. Nanocomputação – Teses. Computação Reversível – Teses |
| Idioma: | eng |
| País: | Brasil |
| Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Sigla da Institución: | UFMG |
| Curso: | Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação |
| Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/38083 |
| Fecha del documento: | 17-ago-2020 |
| Aparece en las colecciones: | Teses de Doutorado |
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