FPGA'lerde BRAM gerilimi düşürülmesinin güç kazanımı, hata oranı ve sıcaklığın etkileri yönünden araştırılması
The effects of temperature to undervolting in terms of error rate and power and a temperature controlled undervolting method
Yazar: FULYA AĞIRNAS
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ERGİN ; DR. FATİH SAY
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Yüksek performans, düşük güç tüketimi, tasarım esnekliği sağlaması, basit ve yeniden yapılandırılabilir tasarım özellikleriyle, FPGA'ler gömülü sistemler, savunma ve uzay uygulamaları için donanım hızlandırıcı olarak sıklıkla tercih edilmektedir. FPGA tabanlı tasarımlarda, çalışma voltajı düşürülmesi, enerji verimliliğini arttırmak için çok etkili bir tekniktir. Nominal çalışma voltajından daha düşük gerilimlerde çalıştırılan bu sistemler için, güç tüketimini azaltırken güvenilirlik için hata oluşmasını önlemek de çok önemlidir. Bu amaçla, minimum çalışma geriliminin (Vmin) yani hataların oluşmaya başladığı en düşük gerilim seviyesinin tespit edilmesi bu sistemlerde kritik öneme sahiptir. Çalışma geriliminin düşürülmesi konusundaki önceki araştırmalarda, FPGA'ler içerisindeki BRAM belleklerinin, üretici tarafından belirtilen nominal voltajın %39 altına kadar güvenli bir şekilde çalıştırılmasının mümkün olduğu gösterilmiştir.
Bu çalışmada, silikon sıcaklığının hatasız çalışılabilen minimum besleme gerilimi olan Vmin üzerinde çok etkili olduğu gösterilmiştir. Yapılan ölçümlerde, silikon sıcaklığı arttıkça daha fazla güç kazanımı elde edebilmek için BRAM'lerin çalışma gerilimlerini artan sıcaklığa bağlı olarak azaltmanın, güvenilir çalışmayı bozmadığı görülmüştür. Bu davranışı gözlemleyebilmek için çalışma voltajı düşürülmesi işlemi -30 ℃ ve + 82 ℃ silikon sıcaklığı arasındaki sıcaklık değerlerinde analiz edilmiştir. Yapılan analizlerde, FPGA BRAM'ler için hatasız çalışılabilen minimum besleme gerilimi olan Vmin değerinin bu sıcaklık aralığında sıcaklığa bağlı olarak değiştiği ve bu sayede yüksek sıcaklıklarda %9 daha fazla güç tasarrufu yapılabileceği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, çalışma voltajı düşürülmesi uygulamalarında güç tüketimini daha çok azaltırken güvenilir çalışmayı da bozmamak için FPGA'in silikon sıcaklığını okuyan, bu sıcaklıkta hatasız çalışılabilen en düşük besleme gerilimini belirleyen ve FPGA BRAM'lerin besleme gerilimini bu değere ayarlayan bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntem sayesinde, sadece % 0.04 ek kaynak kullanımıyla enerji tüketiminde % 40'a varan kazanç elde edilmiştir.

Abstract:
Due to high performance, low power usage, design flexibility, simple and reconfigurable design ability, FPGAs are chosen as hardware accelerators for embedded, defense and space applications. In FPGA based design, scaling supply voltage is a very effective technique to improve energy efficiency. For the systems which use undervolting, it is also important to avoid errors for reliability while reducing power consumption. For this purpose, detecting the minimum voltage, Vmin, lowest voltage value which does not cause any errors, is critical. Through the previous research on undervolting, it has been shown that it is possible to operate on-chip BRAM memories of FPGAs safely up to 39% below the vendor specified nominal voltage. 
In this paper we show that the effect of junction temperature is crucial on the exact level of Vmin of the supply voltage of BRAMs. While the junction temperature of FPGA is increased, it is safe to decrease Vmin of the supply voltage of BRAM further to achieve more power efficiency. We analyzed the whole behavior of scaling supply voltage between -30℃ and +82℃ junction temperature. We also observed that minimum safe voltage for FPGA BRAMs varies in this temperature range and it is possible to save up to 9% more power. For a reliable and energy efficient undervolting operation, we propose a method that reads the junction temperature of FPGA and adjusts the supply voltage of FPGA BRAMs for a safe undervolting at this temperature. By the help of this method, we achieved up to 40% decrease in power consumption with only an additional 0.04% resource usage.