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모바일 신호처리를 위한 에너지 효율적인 컴퓨팅


<재단 제28기 해외유학장학생 U. Michigan, 현 Qualcomm Inc. Senior Engineer>

모바일 기기는 최근 급속도로 확산 되어 왔으며, 지금도 그 수는 계속 증가하고 있다. 오늘의 모바일 기기들은 발전된 무선 통신 알고리즘들을 빠르게 처리해야할 뿐만 아니라 다양한 여러 애플리케이션을 동시에 지원해야 하기 때문에, 현재의 모바일 컴퓨팅은 예전에 비해 복잡하고 많은 계산을 좀 더 효율적으로 실행해야 한다. 대부분의 모바일 프로세서들은 높은 성능과 저전력 요건을 충족하기 위해 범용 프로세서 (GPP), 디지털 신호 프로세서 (DSP) 및 애플리케이션에 특화된 집적회로 (ASIC) 를 연결시켜 동시에 사용한다. 그러나 이러한 이기종 플랫폼은 공간과 전력면에서 비효율적이며, 또한 복잡한 프로그래밍을 필요로 한다. 따라서, 프로그래밍이 편리한 모바일 시스템의 효율성을 증가시키는 것은 컴퓨터 아키텍처 분야에 있어서 중요한 과제이며, 이에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.


그 중, SIMD (Single Instruction Multiple Data) 아키텍쳐는 DLP (Data-Level-Parallelism) 가 많은 모바일 신호처리 알고리즘에 매우 효과적이다. 그러나, 새로이 발달된 무선/멀티미디어 알고리즘들을 지원하고 더 좋은 에너지 효율성을 얻기 위해서는 SIMD 아키텍쳐의 재평가가 필요하다. 따라서, 이 논문에서는 4 세대 (4G) 무선 프로토콜과 고화질 모바일 비디오 알고리즘 (H.264) 을 분석하여 기존의 SIMD 아키텍처의 효율성을 향상시킬 수 있음을 보여준다. 주요 개선 사항으로는 1) SIMD 데이타 재배열를 위한 프로그래밍 가능한 셔플 네트워크, 2) 큰 SIMD 아키텍쳐를 여러개의 작은 SIMD 아키텍쳐로 사용할 수 있는 기능, 3) 자주 사용되는 일련의 연산들을 빠르게 처리할 수 있도록 하드웨어 지원들이 포함되었다.

최근 저전력 아키텍쳐 설계 분야에서, 성능과 파워소모를 적절하게 균형을 맞추는 NTC (Near Threshold Computin) 기술이 각광을 받고 있다. 따라서, 이 논문은 NTC 기술을 SIMD 아키텍쳐에 적용시켜, 모바일 컴퓨팅의 에너지 효율성을 개선시킬 수 있음을 보여준다. 이 논문에서 새롭게 제안하는 Near-Threshold SIMD 아키텍처인 Diet SODA (Signal processing On Demand Architecture)는 모바일 컴퓨팅 아키텍쳐가 가질 수 있는 다음과 같은 두 가지 디자인 선택 사항을 보여준다. 1) NTC로 인해 감소된 성능을 보충하기 위해 매우 커진 SIMD 데이터 엔진과 2) 메모리 시스템과 SIMD 데이터 엔진의 속도 차이를 활용하기 위한 Scatter-Gather 데이터 Prefetcher. 비록 NTC가 매우 훌륭한 에너지 효율성을 제공하지만, 낮은 전원에 따른 증가된 회로의 속도차이 (Delay variation) 은 NTC의 이점을 감소시킨다. 따라서 NTC가 적용된 SIMD 아키텍쳐가 갖게 되는 Delay variation 에 대해 시스템적인 연구가 수행되었고, 여러 옵션들 중에서 심플한 테크닉인 구조 복제와 전원/주파수 마지닝의 효과를 살펴보았다.

이 논문은 대표적인 무선/모바일 멀티미디어 신호 처리 알고리즘을 분석하였으며, 에너지 효율적인 프로그래밍이 편리한 플랫폼을 제안하고, 그 성능과 전력소모를 평가하였다. 프로그래밍 임베디드 모바일 시스템의 성능과 효율성 두 가지 모두는 병렬연산을 지원하는 SIMD 아키텍쳐와 저전력을 지원하는 NTC의 조합으로 크게 향상될 수 있음을 이 논문은 보여주고 있다.

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