組み込みマイコンにおけるベンチマーク利用法の新しい動向

マイコンの消費エネルギ計測の標準化システムの記事大塚 聡

マイコンの消費エネルギ計測にベンチマークを応用した例，ママイコンの消費電流は動作条件，つまり，動作時の負荷

ルチコア・ベンチマークの概要，およびシステム・ベンチマー

容量とか測定時にマイコンが実行するプログラムの内容なクの動向を紹介する．

どによって大きく左右されます．ところが，マイコン・ベ（編集部）

ンダは各社ばらばらの条件を使ってこの測定を行っていま
エンバシー

本誌2007 年2 月号に，EEMBC（EDN Embedded Micro

す．ベンダ間で消費電流の比較が実際には難しく，システ

processor Benchmark Consortium）の概要と EEMBC ベム設計者は大雑把な比較しかできていないのが現状です．

ンチマークの応用事例などを紹介しました．EEMBC は組低消費電力化が叫ばれる中，正確な消費電力の比較がでベンチマーク

み込み用途に用いられるプロセッサの性能評価法を用途別きないのは問題です．また，電池寿命を判断するには，単に標準化している業界団体です．この団体は，世界のプロ位時間当たりのエネルギ消費量ではなく，プログラムの実セッサ・ベンダ，コンパイラ・ベンダ，プロセッサ・コ行によるトータルで消費したエネルギ量を比較する方が正

ア・ベンダ，システム OEM などの会員で構成されます．

確であり，実際に即しています．つまり，消費電力より消今回は，マイコンの消費エネルギ計測にベンチマークを費電力量（エネルギ）の方が重要な要素になります．従来は応用した例，マルチコア・ベンチマークの概要，およびシ共通のプログラムが存在しなかったため，消費エネルギのステム・ベンチマークの動向について解説します．

測定法は標準化できませんでした．

1．消費エネルギ計測の標準化の不在

2．消費エネルギー測定法の標準化

マイコンは誕生して四半世紀が経ちますが，データ・2005 年〜 2006 年にかけて，EEMBC の会員の間ではマシートを見ても電力，エネルギ関連の情報としては平均電イコンの消費エネルギの測定法の標準化を目指そうという流とか最大電流といった大雑把なデータしか存在しません．

動きが活発になりました．実際その間に標準化も行われて例えば現状では携帯電話メーカは，実機で実際に最終製品きました．に組み込まれる予定のプログラムを実行させて電池寿命をエネルギ測定法については，測定せざるを得ません．また，プロセッサの設計者は，現①高価でない一般的に購入可能な部品を用いること

状では平均電流や最大電流の観点でしか，回路のエネルギ②高価でない一般的に購入可能な開発ツールを用いること効率を判断できません．与えられた処理を最適なエネルギ③EEMBC の規定に準じてデバイス固有の情報を開示する効率で実現する回路を決めるための基準が存在しなかったのです．

Keyword

義務を負うことという 3 点が前提条件になりました．

EEMBC，消費エネルギ計測，磁界プローブ，バッテリ駆動型のポータブル機器，電力利用効率，エネルギ測定法，LabVIEW，DAQ，ナイキストの定理，RMS，実効値

Design Wave Magazine 2008 June 137

磁界プローブは，高精度な測定結果が得られ，それ自体非干渉型の測定が可能です．測定機材が高価になるため，

4．消費エネルギ測定法標準化の問題点

残念ながら標準化されるに至りませんでした．エネルギの利用効率は，プロセッサの消費エネルギを上げずに性能を標準化したエネルギ測定法は，複数のプロセッサ間で，高めるための重要なポイントの一つです．エネルギの利用平等でかつ比較可能なスコア測定条件を実現しなければな

効率が高まると，バッテリ駆動型のポータブル機器の動作りません．

時間が延びます．逆に同じ動作時間を実現するために必要¡CPU コアのみを測定すればよいのかなバッテリ容量は少なくて済みます．

¡キャッシュまで含めるべきか

また，きょう体内部におけるバッテリ用のスペースも，¡さらにペリフェラルまで含めるべきかより小さくて済む場合が出てきます．バッテリ用スペース¡どのベンチマーク・ソフトウェアを用いるべきかが小さくてすめば，きょう体も小型化できます．また放熱¡使用する測定機材はどうするのか設計もより楽になりますし，コストダウンにもつながります．

¡電源立ち上げ後どれくらい時間が経過したところで測AC 駆動型の機器では電源容量の低減によって，電源部の小型化，強制空冷の軽減，EMI 対策，ノイズ対策，電力コストの軽減が予想されます．

定を開始すればよいのか
消費エネルギ測定結果はさまざまな環境要因により変化するので，適切な測定法の確立が重要です．

今までは性能と価格で勝負していたところが，今後は電例えばメモリ・アクセスにおいて，キャッシュにヒット力利用効率の良しあしが，半導体部品や機器の成否に少なした場合とヒットしなかった場合に，どのくらい消費エネからず影響を及ぼすでしょう．

ルギに差が出るのかを米国 Analog Devices 社の Blackfin
プロセッサ BF533 を例に示します（表 1）．

3．半導体メーカから公開されるデータ

ここでは r3 ＝［i1］という命令（i1 で参照されたメモリ・ロケーションの内容を読み出して r3 にストアする）を従来半導体メーカは，最大消費電力（電流）と平均消費電繰り返し実行した場合を示します．L1 キャッシュにヒット力（電流）という 2 種類のデータを，システム設計者に提供した場合とミス・ヒットして外部メモリである SDRAM にしてきました．システム設計者は最大消費電力値を用いてアクセスした場合とを比べると，消費エネルギ量は約 6 倍機器の設計を行います．

（2.5nJ/0.44nJ）異なります．

平均消費電力は，バッテリの寿命，運用コスト，放熱設

今度は，同じ Blackfin プロセッサで Loop:r7 ＝ r3 ＋ r4計などで予測値として用いられてきました．しかし，平均という命令（r3 の内容とr4 の内容を加算してr7 にストアす

消費電力は，メーカ独自の判断で決めたある特定の条件下る）を繰り返し実行する場合を調べました．コールド・スでの消費電力であり，機器の実際のアプリケーションが実タートの状態から電源立ち上げ後の経過時間による消費電流行されたときに消費される電力を代表するものではありまの変化は表2 のようになりました．
実験の詳細を示します．まずコールド・スタートをしてせん．

から Loop 命令の繰り返し実行を開始し，電流の経時変化を記録します．20 分経過したところで一度プログラムの実行を止めて，20 分間待ちます（アイドル状態）．そして，止表 1 メモリ・アクセスの場合のキャッシュと SDRAM のエネルギ消費量の違い（Blackfin プロセッサ： BF533 コアのみ）
米国 Northeastern University コンピュータ・アーキテクチャ研究室と米国
Analog Devices 社の協力による．
r3=[i1]
サイクル数

電流値 電力/サイクル（mA）（mW）

エネルギ量（nJ）

L1 キャッシュ

198.8

118.6

0.44

SDRAM

780.4

96.5

2.5

138 Design Wave Magazine 2008 June

めたところから再び Loop 命令の実行を開始して，電流の経時変化を記録します．コールド・スタートでの電源立ち上げ後，命令の実行を開始したとき，30 分くらい待たないと電流値は安定しないことが分かります．