모바일 어플리케이션 프로세서의 발열 관리 모델 연구
A Study on Thermal Management Model of Mobile Application Processors
- 주제(키워드) 모바일 디바이스 , 스마트폰 , 어플리케이션 프로세서 , 발열 관리 모델 , 발열 경감 알고리즘 , 동적 제어 알고리즘 , 전력 및 발열 특성 , 전력 효율
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정옥현
- 발행년도 2019
- 학위수여년월 2019. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000064297
- UCI I804:11029-000000064297
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Since Apple introduced the first iPhone in 2007, the development of mobile devices, including smartphones, has been accelerated. Smartphone users are able to experience various services using smartphone according to the advance of processor technology and communication technology. However, these rapid improvements in performance of smartphones have caused power and thermal problems due to the limited size and power budgets of mobile devices. In addition, with the advance of process technology, the power density of chipsets has rapidly increased, which has accelerated thermal issues. Since most additional hardware-based cooling systems are unfeasible in mobile devices unlike general computer systems, modern mobile devices generally use a software framework called Thermal Management Model (TMM) to solve their thermal issues. In this dissertation, we investigate efficient thermal management methods for smartphones. The power and thermal characteristics of smartphones vary depending on the type of chipset, Printed Circuit Board (PCB) layout, and semiconductor process technology. Therefore, we introduce the methodology of deriving the power and thermal characteristics of smartphones. In addition, we propose and validate efficient thermal management schemes using power and thermal characteristics in real mobile environment. First of all, we experimentally derive the power characteristics according to the operation pattern of smartphone to propose efficient thermal management technique. Thereafter, the variation of chipset temperature and device surface temperature are analyzed based on the power characteristics by using a thermal simulator. In analyzing the power and thermal characteristics, we focus on Application Processor (AP) which consumes the most power among many chipsets of smartphones. In particular, we extract the power and thermal characteristics of mobile CPU, the key component of AP, and then propose an improvement method for the existing thermal management techniques. In this dissertation, we propose two novel thermal management schemes using the power and thermal characteristics of smartphone in real environment. The first proposed approach is an Adaptive Frequency Range (AFR) control algorithm that induces efficient CPU operations based on the power characteristics of mobile CPU, which is empirically derived. Since the AFR control algorithm induces a usage of efficient CPU operation patterns from the viewpoint of power aspects, it can not only reduce the temperature of smartphone but also provide high performance continuously. The second approach is an Adaptive Threshold (AT) control algorithm that dynamically adjusts the thermal constraints according to real-time CPU operation pattern. This approach analyzes real-time system performance requirements and thermal conditions based on CPU operation patterns and on-chip temperature to control performance and thermal mitigation capability. This allows TMM to quickly respond to high-performance usage scenarios and manage thermal issues immediately. We evaluate the variation of performance and temperature using a commercial smartphone to verify the superiority of the proposed techniques in real usage scenarios of smartphones.
more초록/요약
2007년 애플에서 첫번째 아이폰을 발표한 이후로 스마트폰을 포함한 모바일 디바이스의 발전은 빠르게 이루어지고 있다. 스마트폰 사용자들은 프로세서 기술의 발전과 통신 기술의 발전에 따라 스마트폰을 활용하여 다양한 서비스 경험을 할 수 있게 되었다. 하지만 이러한 스마트폰의 급격한 고성능화는 모바일 환경의 특성상 제한된 크기와 전력 조건 등으로 인해 전력 및 발열 문제를 야기시켰다. 또한 반도체 공정 기술의 발전과 함께 모바일 디바이스에 사용되는 칩셋들의 전력 밀도가 급격하게 증가하게 되었으며, 이는 발열 문제를 더욱 악화시켰다. 하지만 모바일 디바이스에서는 기존의 개인용 컴퓨터 환경과 달리 이러한 발열 문제를 해결하기 위한 별도의 발열 경감 기법을 적용하기 어렵다. 따라서 발열 관리 모델 (Thermal Management Model, TMM)이라는 소프트웨어 프레임워크를 활용하여 모바일 디바이스의 발열 문제를 해결하고 있다. 본 논문에서는 대표적인 모바일 디바이스인 스마트폰의 효율적인 발열 관리 기법들에 대해 살펴보도록 한다. 스마트폰의 전력 및 발열 특성은 칩셋의 종류, 인쇄 회로 기판 (Printed Circuit Board, PCB) 상에서의 칩셋 배치, 그리고 반도체 공정 기술 등에 따라 달라진다. 따라서 본 논문에서는 스마트폰의 전력 및 발열 특성을 도출하는 방법을 제시하고, 이를 바탕으로 효율적인 발열 관리 기법들을 제안하여 실사용 환경에서의 성능을 검증한다. 우선 스마트폰의 사용 패턴에 따른 전력 및 발열 특성을 실험적으로 도출하고 이를 활용하여 칩셋 온도 및 디바이스 접촉면의 온도 변화를 시뮬레이션을 통해 추정하는 연구를 진행한다. 본 논문에서는 스마트폰에서 가장 많은 전력 소모가 발생하는 어플리케이션 프로세서 (Application Processor, AP)에 대한 전력/발열 특성을 도출한다. 특히 어플리케이션 프로세서에서 가장 중요한 모바일 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU)의 동작 패턴에 따른 전력/발열 특성을 도출한다. 또한 발열 시뮬레이터를 활용하여 각각의 동작 패턴에 따른 칩셋 온도의 변화를 유추하고 이를 활용하여 디바이스 전체의 온도 또한 유추한다. 이를 통해 기존의 발열 관리 기법에 대한 개선점을 도출함과 함께 발열 검증 시 필요한 반복 실험을 대신하여 빠르게 발열의 영향을 추정하여 제품 개발의 속도를 높여줄 수 있다. 본 논문에서는 실제 스마트폰의 전력 및 발열 특성을 바탕으로 발열 관리 기법 개선을 위한 두 가지 방안을 제시한다. 첫번째로, 실험적으로 도출한 모바일 중앙 처리 장치의 전력 특성을 바탕으로 효율적인 중앙 처리 장치 동작을 유도함으로써 소모 전력 및 발열을 개선하는 발열 경감 알고리즘 (Thermal Mitiga-tion Algorithm, TMA)를 제안한다. 논문에서 제안하는 첫번째 기법은 전력 관점에서 효율적인 동작 패턴으로 연산을 수행할 수 있도록 유도하기 때문에 발열을 개선할 뿐만 아니라 지속적으로 높은 성능을 제공할 수 있다. 두번째로, 사용자의 실시간 사용 패턴에 따라 능동적으로 발열 제한 조건을 변경해줌으로써 높은 성능을 보장해주면서 발열 경감 효과를 함께 확보할 수 있는 새로운 발열 경감 알고리즘을 제안한다. 두번째 기법은 사용자의 사용 패턴을 분석하여 고성능을 요구하는 구간과 일정 기준 이상의 발열이 감지되는 경우를 분석하여 디바이스의 성능 및 발열 경감 능력을 조정해준다. 이를 통해 고성능을 요구하는 사용 시나리오에 빠르게 대응해 줌과 함께 발열 관련 이슈 역시 즉각적으로 관리할 수 있다. 본 논문에서는 제안하는 발열 관리 기법에 따른 디바이스의 성능 및 온도 변화를 비교하기 위하여 실제 스마트폰을 사용하여 실험을 실시하고, 기존 산업계에서 사용되는 발열 경감 알고리즘과 비교하여 제안하는 기법들의 우수성을 검증한다.
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