FUJIOKA Yoshichika

TOMABECHI Nobuhiro

苫米地 宣裕

藤岡 与周

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FUJIOKA, YOSHICHIKA

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藤岡, 与周

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フジオカ, ヨシチカ

苫米地, 宣裕

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トマベチ, ノブヒロ

TOMABECHI, Nobuhiro

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

電源電圧の動的再構成に基づく低消費電力並列VLSIプロセッサの構成著者 藤岡 与周, 苫米地 宣裕著者別名 FUJIOKA Yoshichika, TOMABECHI Nobuhiro雑誌名 八戸工業大学異分野融合科学研究所紀要巻 2ページ 65-69URL http://id.nii.ac.jp/1078/00002413/Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ja電源電圧の動的再構成に基づ く低消費電力並列VLSIプロセッサの構成藤 岡 与 周キ。苫米地 宣 裕料Design of a Lo訥/Power Para■el氏FLSI Processor Based onDynanlic Reconfiguration of Po、、/er Supplyヽ「oltagesYoshichika Fu」IoKA and Nobuhiro ToMABECHIAbstractTo reduce the delay tilne and po、、アer co sumption郡/hich are required especia■y for mobile―type intenigentintegrated applications, ve propose a parallel VLSI processor architecture based on dynamic reconliguration ofvarious kinds of rnultiplyadders and their power supply voltages  By changing the pow/er supply voltages so thateach gate ut■ized ratio becomes 100%,the pOttrer consumption can be reduced in proportion to the cube of the po郡/ rsupply voltageKey words:微小遅れ時間 (small delay time),知能集積システム (intelligent integrated system),動的再構成(dynamic reconiguration),低消費電力(low power consumption),並列VLSIプロセッサ (parallel VLSI processor)1。 ま え が き外界 との相互作用を必要とする知能ロボットシステムなどでは,外界から入力される情報に基づ く膨大な計算が必要となるとともに,特に自立移動ロボットなどではシステムの低消費電力化が重要となる。また,外界 との相互作用では,外界から入力される情報に基づきアクチュエータ制御出力を計算する一連の直列的処理について,スループット向上とともにそれぞれの演算遅れ時間を扱少する必要がある。すなわち,演算遅れ時間が小さくかつ低消費電力 という高性能並列VLSIプロセッサの開発が重要である。このため, これまでに種々の専用並列プロセッサが開発されており,この分野はロボットエレクトロエクスと呼ばれている。本稿では夕外界からの情報量に応じてサンプリング周期を可変にするシステムや,あるいは各サンプリング周期毎に計算量が異なるシステムにおいて,ゲー ト稼働効率を最大にしかつ消費電力を最小とするため,電源電圧の動的再構成 という概念に基づ く並列VLSIプロセッサの構成法を提案 している。2.データ依存グラフの特徴知能ロボットシステムでは,膨大な量の多入力積和演算が必要となる。このような多入力積和演算を演算遅れ時間が短いという意味での高速かつ低消費電力で実行す平成16年1月7日受理*八戸工業大学システム情報工学科助教授**八戸工業大学システム情報工学科教授るためには,専用並列VLSIプロセッサの開発が有用となる。専用並列VLSIプロセッサを開発するためには,処理の流れとデータ依存関係をグラフで表現したデータ依存グラフDFGの特徴を活用することが有用である。この場合,例えば図1に示すようにDFGんゞ規則的である場合には,ゲー ト稼働効率が高く演算遅れ時間の小さい専用並列VLSIプロセッサの構成が比較的容易 となる。これに対し,図2に示すようにDFGんゞ必ずしも規則的でない場合には,最も演算遅れ時間が遅くなるパス(クリティカルパス)をできるだけ高速に処理するように専用並列VLSIプロセッサが構成されるため,クリティカルパス以外のパス上の処理を担当する演算ユニットやゲート回路の稼l動効率は必ずしも最大になるとは限らず,プロセッサ全体の総合的なゲート稼働効率は必ずしも高くならない。また,知能ロボットシステムなどでは,図3に示すように常に一定のサンプリング周期での処理が基本となるが,外界県境の変化に伴い,一時的に膨大な量の情報が入力されることが予想されるシステムでは,図4に示すようにサンプリング周期を可変にし,入力された情幸昆量が特に多い場合や高精度作業が一時的に要求されるような場合に,サンプリング周波数を高くする必要があると考えられる。同様に,図5に示すように各サンプリング周期毎の計算量が変化することも考えられる。このようなシステムでは,最も計算量が多い場合に,要求される演算遅れ時間以内に処理を完了できる性能を備えた専用並列VLSIプロセッサが構成される。この場合,常に最大能力での計算が必要となるわけではないため,やはり―- 65 -八戸工業大学異分野融合研究所紀要 第2巻第1号00●●0●0●0●0●図1 規則的なデータ依存グラフの例専用並列VLSIプロセッサの総合的な稼働効率は必ずしも高いとはいえないという問題がある。さらに,知能ロボットシステムでは最初の設計段階で想定された処理内容が,ロボットの行動に伴い畜積される種々の知見により改良され続ける可能性がある。このように,処理内容が変化し続ける状況において常にゲート稼働効率を高くかつ消費電力を低 く保つことができる,専用の中の汎用性を備えた並列VLSIプロセッサの開発が望まれている。3.電源電圧の動的再構成演算遅れ時間と消費電力をともに厭少する新しい概念として,電源電圧の動的再構成を可能とする,図6に示す並列VLSIプロセッサアーキテクチャを提案する。要素プロセッサ (PE)内部に備えられた電源電圧コントローラ (PSVC)は,プログラムで指定される電源電圧を演算器などの各部に供給する機能を有している。このため,乗算器やカロ算器毎に別々の電源電圧を設定したり,あるいはすべての演算器に同じ電源電圧を設定することが可能である。また,本並列VLSIプロセッサは,知能ロボット制御0●0●図2 不規則なデータ依存グラフの例sensor signalttlIIle一Tdactuatorcontrol outputTd i computaional delay ime図3 -定サンプリング周期の例に必要となる種々の入力数の多入力積和演算器を動的に再構成する機能も備えている。このため,通常のマイクロプロセッサのようにバス接続ではなく,演算器やメモリなどの間の直接接続を各プログラムステップ毎に動的に切換えるためのスイッチ回路 (SC)とその内部の各スイッチを制御するためのVLhV(Very Long lnstruc‐tion Word)制御回路が備えられている。高並列処理を可能とする多入力積和演算器の再構成の一例を図7に示す。バス接続などでは演算器間の中間データの転送が逐次的になりやすく,複数の演算器を並列に用いて演算遅????―- 66 -―＼＼＼＼＼sensor signal inputcon仕ol outputTd i computational delay tilne図4 可変サンプリング周期の例sensorsignallnputactuatorconttolOuttut feedbacksampling pcdod    sampling penodi             i+1図5 サンプリング周期毎に計算量が変化する例れ時間を短 くするような処理は困難であるのに対して,提案する並列VLSIプロセッサは演算器間の所望とする直接接続が実現されるため高並列低遅延処理が可能であるという特徴を有している。このように,提案する動的再構成型並列VLSIプロセッサは,高並列処理が可能であるとともに演算器など各部の電源電圧を動的に変化させることが可能となっている。これらの機能は,次の原理に基づく消費電力の減少のために備えられている。・ゲート速度は電源電圧 乃」に比例する。・ゲート消費電力は'あとゲート動作回数 (ゲー ト充放電回数)の積に比例する。これらの原理に基づき,演算器など各部の電源電圧を,その時点で要求される処理速度となるように変化させることにより,常にゲートi家働効率をほぼ100%にするこ電源電圧の動的再構成に基づく低消費電力並列VLSIプロセッサの構成samphng pettod istilnc一Td蛭9:Muliplier LM:Local Memor) VLⅣ:VLⅣ controlO:Addei  Sci swich Circuit PE:Prosessor ElementPSVC:Power SuPPly Voltagc(Vdd)COntrOllcr for cach modulc図6 電源電圧を動的に再構成可能な並列VLSIプロセッサPE????????r」=attbて,十dettfgtthニジ図7 多入力積和演算器の動的再構成とができる。例えば,図5に示すように各サンプリング周期毎に処理量が変化する場合には,図8に示すように電源電圧を変化させ,常に100%のゲー ト稼働効率となるようにすることができる。上記2つの基本原理によれば,ゲー ト速度は一定サンプリング周期毎のゲー ト動作回数に'ヒ例するため,結果としてゲー ト稼働効率100%動作状態での消費電力を レ曽αに比例 して滅少させることが可能 となる。さらに,ある処理を1台のPEで処理する場合 と%台のPEで処理する場合とでは,ともにゲー ト稼働効率が100%となるように電源電圧を変化させることにより,%台での並列処理により消費電力を1/%2に減少可能となる。この性質は,高並列処理が可能な動的再構成型並列VLSIプロセッサの特長に適合するため,高並列処理と電源電圧の動的変更によるゲート稼働効率が高く消費電力の低い専用並列VLSIプロセッサとして有用である。サンプリング周期が一定である場合の,各サンプリン一- 67 -―PSVC++LMSCVL「ⅣPSVC十+LMSCVL「ⅣPEnPEl???、?、?、＼＼＼sub rouinesub routinesub routinesub routinesub routinesub rouinesub rouine++++SCPEたPEた_ュsub routincsub routinesub routinesub routincsub routinesub routine(1/3 Vdd)sub routine(1/3 Vdd)八戸工業大学異分野融合研究所紀要 第2巻第1号sensorsignalinput1乃』(nOrmarized)∝gate speed1                2sampling period(lms)required prediction steps∝ network delay8 steps      2 steps4 stepsldO1                2samphng periodpower consumptiOn(normarized)∝1/駒・prediction steps003????????actuatorcontroloutput1.0feedbacksampling pettod    sampling peiodi            i+1図8 ゲー ト稼働効率 100%処理の例恥じ(nOrmarized)∝gate speed1                2sampling period(lms)required prediction steps∝ network delay8 steps      2 steps      4 steps100 percent sate utirization33samphng period図10 電源電圧一定時の消費電力の例グ周期毎の電源電圧,処理ステップ数,消費電力の一例を図9と図 10に示す。3つの各サンプリング周期毎に,8ステップ,2ステップ,4ステップの単位処理が必要となる場合を示している。図9ではゲー ト稼働効率が100%となるように電源電圧 7ど,を変化させているため,各サンプリング周期毎の消費電力は レ壱αに比例 して減少している。これに対し,電源電圧が一定である場合には,どの単位処理も最高速度で実行され,あとはアイドル状態となり何も実行されない。この結果,ゲー ト稼l動効率が処理ステップ数に比例して変化することになる。同様に,各サンプリングステップ毎の消費電力は処理ステップ数に比例することになる。以上より,電源電圧を動的に変化させてゲー ト稼働効率 100%の状態で処理する場合と,電源電圧が一定の場合のそれぞれの平均消費電力は,図中の数値により求めるとそれぞれ 0.38と058となる。この結果,電源電圧の動的再構成に基づく並列VLSIプロセッサを用いることにより,電源電圧が一定の場合の処理 と比較 してゲー ト稼働効率100%状況下で66%の平均消費電力で処理を行なうことが可能である。???????????????050,010050.0??3(faSt) 1  (SIOW) 2samphng period♂冴.程淵駕l乱縦rmanze。3?????3samphng period図9 電源電圧の動的再構成における消費電力の例―- 68 -―1.0 1.0 01010電源電圧の動的再構成に基づく低消費電力並列VLSIプロセッサの構成4.む す びデータ転送オーバヘッドが小さく高並列かつ演算遅れ時間の小さい処理が可能な動的再構成の概念に基づ く並列VLSIプロセッサアーキテクチャに,さらに電源電圧の動的再構成機能を備えることによる,ゲー ト稼働効率が高 くかつ消費電力の小さい専用並列VLSIプロセッサの構成法を明らかにした。本並列VLSIプロセッサは, リングと多重バスでPEを接続するため拡張性が高く,演算量と要求される演算遅れ時間にあわせてPE数を容易に調整可能であるという特長 も有しているため,知能ロボットシステムなどにおける処理アルゴリズムの改善を容易に専用並列VLSIプロセッサ上で実現可能であるという特長を有している。本稿では,MOS FETの有する基本的性質に基づいて,電源電圧と消費電力の関係を1次近似して議論している。しかしながら,現実のデバイスでは本稿では考慮していない種々の要因により必ずしも本稿での議論が成り立たない場合もありうる。今後の課題 として,電源電圧の動的再構成手法について回路レベルでの検討が必要となる。さらに,本稿では電源電圧を変化させてゲート動作速度を調整し,ゲー ト稼働効率を常に最高とする手法を提案している。このような処理を実現するためには,通常の並列プロセッサにおけるスケジューリングやアロケーションアルゴリズムをそのまま適用するのではなく,必要に応じて各処理の処理時間を変化させてスケジューリングやアロケーションを効率的に行なうことが可能になると考えられる。この分野での新たな研究が期待される。参 考 文 献1)亀山,藤岡 :“ロボット用VLSIプロセッサシステム",日本ロボット学会誌,Vol 14,No l,pp 22-25(1996)2)藤岡,亀山 :“ビットシリアルアーキテクチャに基づくロボット制御用再構成可能並列VLSIプロセッサの構成",電子情報通信学会論文誌DI,Vol」81 D I,No 2,pp8593(1998)3) Y Fujioka, N Tomabechi and ふ/1 Kameyam :“Design of a Para■el/ヽLSI PrOcessor for Tele―RObOtSystems Based on Dynamic Reconiguration of PowerSupply Voltages,''Proc Of SICE2003 Annual Confer‐ence,pp 2638-2643,(2003)―- 69 -―

Design of a Low Power Parallel VLSI Processor Based on Dynamic Reconfiguration of Power Supply Voltages

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電源電圧の動的再構成に基づく低消費電力並列VLSIプロセッサの構成

電源電圧の動的再構成に基づく低消費電力並列VLSIプロセッサの構成

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