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系統識別號 U0002-2507201915284500
中文論文名稱 嵌入式系統的軟體熱管理技術
英文論文名稱 The Art of Software Thermal Management for Embedded Systems
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 李春秋
研究生英文姓名 Chun-Chiu Lee
學號 704430072
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2019-05-17
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授-李 世 鳴
委員-歐陽寬
委員-湯敬民
中文關鍵字 軟體熱管理  熱管理嵌入式系統 
英文關鍵字 Software Thermal Management  Thermal Management for Embedded Systems 
學科別分類
中文摘要 軟體熱管理是利用軟體管理系統熱性能的研究和應用。本文介紹了軟體熱管理的概念,鑑於微控制器市場的前瞻性增長,對軟體熱管理的需求日益增長,以及軟體熱管理是科學,藝術形式還是兩者兼而有之。
熱管理嵌入式系統成為難題,這是由於以下幾個原因:
1. 處理器頻率正在增加。更快的頻率意味著更快的切換。更快的開關消耗指數級更多的功率,從而必然消耗更多的熱量。這是一個問題,問題越來越嚴重。
2. 處理器和設備尺寸正在減小。尺寸越小意味著熱質量越小。 較小的熱質量使得快速熱傳更加困難。 熱量是電子設備完成的工作的自然副產品,並且過多的熱量可能會惡化設備的功能和可靠性。
大多數關於熱管理的研究涉及去除熱量的機制。然而,本文採用了不同的方法,並著重於透過首先消耗更少的功率來減少熱量的方法。
英文摘要 Thermal performance is the new bottleneck in embedded systems design.As processing requirements increase, and physical device sizes continue todecrease, it is becoming more and more difficult to efficiently get heat out ofembedded systems efficiently.
We focuses on the root cause of heat in an embedded system: power.
And since software has an enormous impact on power consumption in an
embedded system, if we are to manage heat effectively, we need to thereforeunderstand, categorize, and develop new ways to aggressively reduce power.
The Art of Software Thermal Management (STM) explores both the science andthe art of reducing power consumption in a computing system as a means tomanage heat, improve component reliability, and increase system safety.
This paper is a pragmatic guide to the field of STM for embedded systems, a catalog ofsoftware thermal management techniques, and a call to action for future areas ofresearch and development.
論文目次 目錄

目錄 IV
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 障礙 7
1.4 摩爾的局限 9
1.5 熱壁面 9
1.6 動態功率 14
1.7 多核承諾 16
1.8 Amdahl的濕毯(令人掃興的人) 19
1.9 溫度限制 21
第二章 解決方案 28
2.1 降低功耗 29
2.2 高效熱傳 29
2.3 定義環境 31
2.4 熱力學 32
2.5 電氣工程 35
2.6 軟體工程 38
第三章 計算方法 41
3.1 概述 41
3.2 計算 41
3.3 熱力學 42
3.4 電子學 49
3.5 動態比例 54
3.6 熱量與功率的關係 55
3.7 遍歷曲線 57
3.8 動態功率象限 57
3.9 電源狀態 57
3.10 喚醒時間 60
3.11 快速啟動 61
3.12 移動曲線 65
3.13 尋找替代曲線 66
3.14 案例研究:亞馬遜Kindle Fire 68
3.15 負載下 69
3.16 空閒模式 72
3.17 電壓調整 74
第四章 結果與討論 78
4.1 矽製造趨勢 78
4.2 態電壓和頻率調節 81
4.3 電壓擺動 82
4.4 動態電壓和頻率調節 83
4.5 測序 83
4.6 自適應電壓調節 87
4.7 開環 88
4.8 閉環 89
4.9 時鐘和電源門控 90
4.10 靜態洩漏管理 93
第五章 軟體熱管理的未來 95
5.1 預測隨機過程 95
參考文獻 96
附錄A…………………………………………………………….........99






圖目錄

圖1.1物聯網(IoT)增長預測 2
圖1.2微控制器單元(MCU)市場歷史和銷售預測 2
圖1.3全球信息公司和BCC Research於2013年1月發布的熱管理技術市場報告 4
圖1.4嵌入式系統中計算,功率,熱量和熱症狀之間的 4
圖1.5摩爾定律,因為它適用於英特爾CPU晶體管密度 10
圖1.6隨著時間的推移,英特爾CPU的晶體管,時鐘和功率方面 11
圖1.7動態功率定律 12
圖1.8隨著處理器變得越來越強大,它們也消耗了更多的功率並產生了更多的熱量 13
圖1.9英特爾奔騰M處理器系列的六個頻率/電壓工作點 16
圖1.10以2倍頻率運行的單核將始終比其多核等效功耗更多 17
圖1.11 Amdahl定律限制了我們透過添加多個核心可以實現的處理器加速量 20
圖1.12微控制器推薦的工作溫度範圍規定了微控制器可以安全工作的溫度的上限和下限 21
圖1.13電子元件的推薦工作條件(ROC)和絕對最大額定值(AMR) 22
圖1.14隨著熱平衡的臨近,熱傳速率隨著時間的推移而減慢 25
圖1.15從各個方向的集成電路傳熱。 放置在處理器下方 27
圖2.1 軟體熱管理位於熱力學,電氣工程和軟體工程的交集點 32
圖2.2軟體在熱管理體系結構中起著特殊的作用 40
圖3.1兩個氣缸中的流體傳輸 42
圖3.2熱量總是沿著溫度降低的方向流動 43
圖3.3熱力學的第零定律 44
圖3.4熱力學第一定律指出孤立系統的總能量是恆定的 45
圖3.5熱力學第二定律指出孤立系統的熵永遠不會減少 47
圖3.6微處理器熱分析示例 50
圖3.7電疇與熱域 51
圖3.8粗略的熱圖 52
圖3.9這裡顯示的是Logic PD Torpedo模塊的熱圖像 53
圖3.10此處顯示了電子電路中功率和熱量之間的關係 56
圖3.11此處顯示了動態功率象限 58
圖3.12此處顯示了片上系統(SoC)處理器的電源狀態 59
圖3.13操作性能點和喚醒時間成反比 61
圖3.14此處顯示了高級快速啟動時間線 63
圖3.15此處顯示了適用於動態功率曲線的快速啟動概念 64
圖3.16移動動態功率曲線很困難,但可以採用自適應電壓調節(AVS)技術 65
圖3.17尋找替代動態功率曲線 67
圖3.18 TI OMAP44x框圖 69
圖3.19此處顯示了亞馬遜Kindle Fire動態功率曲線 70
圖3.20亞馬遜Kindle Fire動態功率曲線 73
圖3.21亞馬遜Kindle Fire電壓調整功能 73
圖3.22亞馬遜Kindle Fire喚醒時間及其與系統電源模式的關係 75
圖3.23此處顯示了Kindle Fire喚醒時功率比較 76
圖4.1軟體在熱管理架構中起著特殊的作用 79
圖4.2半導體器件製造越來越複雜 81
圖4.3此處顯示了動態電壓和頻率調節(DVFS)轉換 83
圖4.4動態電壓和頻率調節(DVFS)序列 85
圖4.5自適應電壓調節(AVS)補償CMOS工藝變化 86
圖4.6自適應電壓調節 88
圖4.7時鍾樹示例 91
圖4.8電源門控 92

表目錄

表1.1常見積體電路溫度範圍 5
表2.1通用的微控制器選擇參數 36
表3.1電子領域中使用的熱定義 48
表3.2喚醒時間與工作性能點模式成反比 59
表3.3 用於調整操作系統以快速啟動的技術 62
表3.4亞馬遜Kindle Fire動態功率曲線 71
表3.5亞馬遜Kindle Fire動態功率曲線(空閒模式)及其影響 71
表3.6發生電壓調整(高計算負荷)之前的亞馬遜KindleFirepower和熱性能 74
表3.7 Amazon Kindle Fire喚醒時間與功耗的關係 77
表4.1 TI OMAP35x處理器的一組示例DVFS設置 85

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