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Reports Year : 2019

A Simple Model of Processor Temperature for Deterministic Turbo Clock Frequency

Un modèle simple de température des processeurs pour une fréquence d’horloge turbo déterministe

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Abstract

As power dissipation and circuit temperature constrain their performance, modern processors feature turbo control mechanisms to adjust the voltage and clock frequency dynamically so that circuit temperature stays below a certain limit. In particular, turbo control exploits the fact that, after a long period of low processor activity, the thermal capacity of the chip, its package and the heatsink can absorb heat at a relatively fast rate during a certain time, before the temperature limit constrains that rate. Hence power dissipation can be temporarily boosted above the average sustainable value. The turbo control must monitor circuit temperature continuously to maximize the clock frequency. Temperature can be monitored by reading the integrated thermal sensors. However, making the clock frequency depend on thermal sensor readings implies that processor performance depends on ambient temperature. Yet this form of performance non-determinism is a problem for certain processor makers. A possible solution is to determine the clock frequency not from the true temperature but from a thermal model based on the nominal ambient temperature. Such model should be as accurate as possible in order to prevent sensor-based protection from triggering but sporadically, without hurting performance by overestimating temperature too much. The model should also be simple enough to provide calculated temperature in real time. This document proposes such thermal model and a turbo control based on that model.
La performance des processeurs modernes étant contrainte par la consommation électrique et la température des circuits, ceux-ci comportent des mécanismes de contrôle turbo dont la fonction est de régler la tension électrique et la fréquence d’horloge afin de maintenir à tout instant la température des circuits sous la limite. En particulier, le contrôle turbo exploite le fait qu’après une longue période de faible activité du processeur, la capacité thermique de la puce, de son boitier et du radiateur peut absorber la chaleur à un taux relativement élevé pendant un certain temps, avant que la limite en température ne restreigne ce taux. Ainsi la consommation électrique peut temporairement dépasser la valeur moyenne que la puce peut dissiper sur une période prolongée. Le contrôle turbo doit évaluer la température constamment afin de maximiser la fréquence d’horloge. La température peut être obtenue en lisant les capteurs intégrés sur la puce. Cependant, rendre la fréquence d’horloge dépendante des capteurs implique que la performance du processeur dépend de la température ambiante. Or cette forme de non-déterminisme de la performance est un problème pour certains fabricants de processeurs. Une solution possible est de déterminer la fréquence d’horloge non pas à partir de la température réelle mais à partir d’un modèle de température basé sur la température ambiante nominale. Un tel modèle doit être aussi précis que possible afin d’empêcher les capteurs intégrés d’enclencher la protection thermique sauf de manière occasionnelle, tout en évitant de nuire à la performance par une surestimation excessive de la température. Le modèle doit aussi être suffisamment simple pour fournir une température calculée en temps réel. Ce document propose un modèle de température répondant à ces critères, et un contrôle turbo basé sur ce modèle.
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Origin : Files produced by the author(s)

Dates and versions

hal-02391970 , version 1 (03-12-2019)
hal-02391970 , version 2 (10-10-2022)

Identifiers

  • HAL Id : hal-02391970 , version 2

Cite

Pierre Michaud. A Simple Model of Processor Temperature for Deterministic Turbo Clock Frequency. [Research Report] RR-9308, Inria. 2019. ⟨hal-02391970v2⟩
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