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전원 관리

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목차

1. 개요

전원 관리는 전체 에너지 소비를 줄이고, 배터리 수명을 연장하며, 냉각 요구 사항을 감소시키기 위해 필요하다. 프로세서 수준 기술로는 동적 전압 스케일링, 동적 주파수 스케일링, 파워 게이팅 등이 있으며, 운영체제 수준에서는 최대 절전 모드를 통해 전력 소비를 최소화한다. GPU의 경우, 높은 전력 소비 문제를 해결하기 위해 동적 전압 스케일링/동적 주파수 스케일링 및 클럭 게이팅 기술이 사용된다.

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전원 관리
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유형기능
설명전원 관리는 일부 전기 제품에서 소비되는 전력을 줄이기 위해 제공되는 기능이다.
전원 관리는 유휴 상태일 때 컴퓨터 모니터의 전력을 차단하거나 컴퓨터가 오랫동안 사용되지 않으면 하드 드라이브를 회전시키는 것과 같이 여러 가지 형태로 나타난다. 전원 관리는 전기 에너지 및 냉각 비용을 절약하고 장비 수명을 연장하는 데 도움이 된다.
관련 정보전원 관리는 전기 제품에 제공되는 기능으로, 소비 전력을 줄이는 데 사용된다.
이 기능은 컴퓨터 모니터의 전원을 끄거나 하드 드라이브의 회전을 멈추는 등 다양한 형태로 나타난다.
전원 관리는 에너지 및 냉각 비용을 절약하고 장비의 수명을 연장하는 데 도움이 된다.

2. 전원 관리의 필요성

전원 관리는 다음과 같은 이유로 중요하다. 낮은 전력 소비는 다음과 같은 효과를 가져온다.



낮은 전력 소비는 또한 낮은 열 발산을 의미하며, 이는 시스템 안정성을 높이고 에너지 사용량을 줄여 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 줄인다.

3. 프로세서 수준 기술

마이크로프로세서의 전원 관리는 전체 프로세서 또는 캐시 메모리, 주 메모리와 같은 특정 구성 요소에서 수행할 수 있다.

동적 전압 스케일링 및 동적 주파수 스케일링은 CPU 코어 전압, 클럭 속도 또는 둘 다를 변경하여 성능 저하를 최소화하면서 전력 소비를 줄이는 기술이다. 이는 전력과 성능의 균형을 최적화하기 위해 실시간으로 수행되기도 한다.

이 기술들의 예시는 다음과 같다.



파워 게이팅은 프로세서 내부 회로 일부의 전원을 선택적으로 차단하여 전력 소비를 줄이는 기술이다. 이 기술이 적용된 예는 다음과 같다.

  • 최신 인텔 코어 프로세서는 프로세서 내 기능 장치에 대한 초미세 전원 제어를 지원한다.
  • AMD 쿨코어 기술은 프로세서의 일부를 동적으로 활성화하거나 끄는 방식으로 더욱 효율적인 성능을 얻는다.[3]


인텔 VRT 기술은 칩을 3.3V I/O 섹션과 2.9V 코어 섹션으로 분할하여, 코어 전압을 낮춰 전력 소비를 줄인다.

3. 1. 이종 컴퓨팅 (Heterogeneous Computing)

ARM의 big.LITTLE 아키텍처는 더 빠른 "big" 코어와 전력 효율이 높은 "LITTLE" 코어 간에 프로세스를 마이그레이션할 수 있다.

4. 운영체제 수준 기술: 최대 절전 모드

컴퓨터 시스템이 최대 절전 모드에 들어가면 RAM의 내용을 하드 디스크에 저장하고 전원을 끈다. 시작할 때에는 저장된 데이터를 다시 불러와 이전 작업 상태를 복원한다. 최대 절전 모드를 사용하면 시스템 전원을 완전히 끌 수 있어 전력 소비를 최소화할 수 있다. 하지만 설치된 RAM 크기만큼의 파일을 하드 디스크에 저장해야 하므로 디스크 공간이 필요하다. 일부 버전의 윈도우에서는 최대 절전 모드가 기본적으로 활성화되어 있으며, 디스크 공간 확보를 위해 비활성화할 수 있다.

5. GPU의 전원 관리 (DVFS)

그래픽 처리 장치(GPU)는 과학, 분석, 공학, 소비자 및 기업용 애플리케이션 등 다양한 분야에서 컴퓨팅을 가속화하는 데 사용된다.[4] GPU의 높은 컴퓨팅 성능은 높은 전력 소비를 수반하며, 이 문제를 해결하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 동적 전압 스케일링/동적 주파수 스케일링(DVFS) 및 클럭 게이팅은 GPU에서 동적 전력을 줄이기 위해 널리 사용되는 기술이다.

5. 1. DVFS 기술

기존 프로세서 DVFS 정책은 합리적인 성능 저하로 임베디드 GPU의 전력 감소를 달성할 수 있다.[5] 이종 시스템을 위한 효과적인 DVFS 스케줄러 설계에 대한 새로운 방향도 모색되고 있다.[6] GPU와 CPU 모두에 대해 동기화된 방식으로 DVFS를 사용하는 이종 CPU-GPU 아키텍처인 GreenGPU가 제시되었다.[7] GreenGPU는 엔비디아 지포스 GPU와 AMD 페넘 II CPU를 사용하여 실제 물리적 테스트베드에서 CUDA 프레임워크를 사용하여 구현되었다. 실험적으로 GreenGPU는 평균 21.04%의 에너지 절약을 달성하고 여러 잘 설계된 기준선보다 뛰어난 성능을 보이는 것으로 나타났다.

모든 종류의 상업 및 개인용 애플리케이션에서 광범위하게 사용되는 주류 GPU의 경우, 여러 DVFS 기술이 존재하며 GPU 자체에 내장되어 있다. AMD PowerTune과 AMD ZeroCore Power는 AMD 그래픽 카드용 두 가지 동적 주파수 스케일링 기술이다. 실제 테스트 결과, 지포스 GTX 480의 클럭을 재조정하면 주어진 작업에 대해 성능을 1%만 감소시키면서 전력 소비량을 28% 낮출 수 있는 것으로 나타났다.[8]

5. 2. 파워 게이팅 기술

기술 발전으로 누설 전력이 중요한 요인이 되면서, 사용하지 않는 회로의 공급 전압을 끄는 방식인 전력 게이팅 기술이 널리 사용된다.[9] 전력 게이팅은 에너지 오버헤드를 발생시키므로, 사용하지 않는 회로는 이러한 오버헤드를 보상할 수 있을 만큼 오랫동안 유휴 상태를 유지해야 한다.

GPU의 런타임 전력 게이팅 캐시 기술은[10] 누설 에너지를 절약한다. 16가지의 서로 다른 GPU 워크로드에 대한 실험 결과, 이 기술은 평균 54%의 에너지 절감 효과를 달성했다.

셰이더는 GPU에서 전력을 가장 많이 소비하는 구성 요소이며, 예측 셰이더 셧다운 전력 게이팅 기술은[11] 셰이더 프로세서에서 최대 46%의 누설 감소를 달성한다.

예측 셰이더 셧다운 기술은 프레임 간 워크로드 변화를 이용하여 셰이더 클러스터의 누설을 제거한다. 지연된 지오메트리 파이프라인이라고 불리는 또 다른 기술은 고정 기능 지오메트리 장치에서 배치 간 지오메트리 및 프래그먼트 계산 간의 불균형을 활용하여 누설을 최소화함으로써, 고정 기능 지오메트리 장치에서 최대 57%의 누설을 제거한다. 간단한 타임아웃 전력 게이팅 방법은 셰이더가 아닌 실행 장치에 적용될 수 있으며, 이는 평균적으로 셰이더가 아닌 실행 장치에서 83.3%의 누설을 제거한다.

위에 언급된 세 가지 기술 모두 1% 미만의 미미한 성능 저하를 발생시킨다.[12]

참조

[1] 웹사이트 AMD PowerNow! Technology with optimized power management https://www.amd.com/[...] AMD 2009-04-23
[2] 웹사이트 IBM EnergyScale for POWER6 Processor-Based Systems http://www.ibm.com/s[...] IBM 2009-04-23
[3] 웹사이트 AMD Cool'n'Quiet Technology Overview https://www.amd.com/[...] AMD 2009-04-23
[4] 웹사이트 What is GPU computing http://www.nvidia.co[...] Nvidia
[5] 논문 Dynamic voltage and frequency scaling framework for low-power embedded GPUs https://ieeexplore.i[...] Electronics Letters 2012
[6] 논문 Effects of Dynamic Voltage and Frequency Scaling on a K20 GPU http://dl.acm.org/ci[...] 42nd International Conference on Parallel Processing 2013
[7] 논문 GreenGPU: A Holistic Approach to Energy Efficiency in GPU-CPU Heterogeneous Architectures http://dl.acm.org/ci[...] 41st International Conference on Parallel Processing 2012
[8] 논문 Power and performance analysis of GPU-accelerated systems http://dl.acm.org/ci[...] USENIX conference on Power-Aware Computing and Systems 2012
[9] 논문 Design challenges of technology scaling https://ieeexplore.i[...] IEEE Micro 1999
[10] 논문 Run-time power-gating in caches of GPUs for leakage energy savings https://ieeexplore.i[...] Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE) 2012
[11] 논문 A Predictive Shutdown Technique for GPU Shader Processors https://ieeexplore.i[...] Computer Architecture Letters 2009
[12] 논문 Power gating strategies on GPUs http://dl.acm.org/ci[...] ACM Transactions on Architecture and Code Optimization (TACO) 2011


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