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GPU功耗建模与优化技术研究

作　者: 谢七曜
导　师: 祝永新
学　校: 上海交通大学
专　业: 集成电路工程
关键词: GPU通用计算 功耗优化 机器指令 功耗建模 动态频率 调节
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 52次
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内容摘要


随着GPU（Graphic Processing Unit，图形处理器）功能越来越强大，特别是NVIDIA公司CUDA（Compute Unified DeviceArchitecture，统一计算架构）平台的推出，GPU通用计算逐渐成为高性能计算领域一个重要的发展趋势。然而，功耗问题始终是影响GPU通用计算技术发展的一个主要问题。尽管GPU的性能功耗比一般高于传统CPU（Central Processing Unit，中央处理器），但其高绝对功耗仍然会带来诸如芯片封装和散热成本上升，器件寿命和可靠性降低等问题，也不符合当今绿色计算的趋势。在学术界，GPU功耗相关领域的研究尚处于起步阶段，有很多关键技术值得探索。本文的主要工作包括：1)通过深入分析CUDA的编程模型和存储模型，研究其指令执行的特点，进而分析其汇编级PTX（ParallelThread eXecution）指令和机器指令，从计算指令运行和访存行为级提出了一个基于机器指令的GPU功耗预测模型。2)针对四类不同应用，提出了通过动态调节GPU计算能力和显存带宽在不损失性能前提下获得最低功耗的方法。并运用功耗模型预测了GPU在不同核心频率和显存频率下运行不同应用时的功耗，对优化方法进行了验证。对7个典型应用的实测证明，本文提出的功耗模型预测精度在94%以上。同时，本文提出的优化策略使四类应用的平均效能提升了14.5%。本课题受到国家863重点项目“新概念高效能计算机体系结构及系统研究开发”（No.2009AA012201）的资助。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章 绪论  13-26
  1.1 课题背景  13-20
    1.1.1 GPGPU 技术  14-17
    1.1.2 从 GPGPU 到 CUDA  17-19
    1.1.3 其他多核计算架构  19-20
  1.2 GPU 功耗研究现状  20-24
    1.2.1 GPGPU 功耗概述  20-21
    1.2.2 功耗模型研究现状  21-23
    1.2.3 低功耗优化研究现状  23-24
  1.3 论文的主要内容和组织结构  24-26
    1.3.1 论文的主要工作和创新点  24-25
    1.3.2 论文的组织结构  25-26
第二章 CUDA 平台与 FERMI 架构解析  26-39
  2.1 CUDA 架构解析  26-37
    2.1.1 编程模型  27-29
    2.1.2 主机和设备  29-30
    2.1.3 计算单元硬件映射  30-33
    2.1.4 存储模型  33-36
    2.1.5 CUDA API  36-37
  2.2 实验环境  37-38
  2.3 本章小结  38-39
第三章 基于机器指令的 GPU 功耗模型的原理与实现  39-48
  3.1 功耗模型搭建原理  39
  3.2 平台搭建和干扰消除  39-41
  3.3 测试代码设计  41-42
  3.4 参数提取  42-45
    3.4.1 计算单元指令功耗  42-44
    3.4.2 存储单元功耗  44-45
  3.5 验证结果与分析  45-47
    3.5.1 应用选取标准  46
    3.5.2 选定应用简介  46
    3.5.3 应用测试结果与分析  46-47
  3.6 本章小结  47-48
第四章 模型指导下的功耗优化  48-59
  4.1 功耗优化方法  48-52
    4.1.1 功耗影响因素分析  48-49
    4.1.2 应用分类  49-50
    4.1.3 优化方法设计与实现  50-52
  4.2 模型指导下的功耗优化实验验证  52-58
    4.2.1 测试方法  52
    4.2.2 测试结果  52-55
    4.2.3 测试结果分析  55-58
  4.3 本章小结  58-59
第五章 结束语  59-61
  5.1 总结  59-60
    5.1.1 论文的主要工作  59
    5.1.2 论文的主要创新点  59-60
  5.2 工作展望  60-61
参考文献  61-65
致谢  65-66
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  66-67
附件  67

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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