[論文レビュー] What Your DRAM Power Models Are Not Telling You: Lessons from a Detailed Experimental Study

Saugata Ghose, A. Giray Yağlıkçı+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2018

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、50個のDDR3L DRAMモジュールからの実世界の実験データを統合することで、従来のモデルに内在する重大な不正確さを是正する新しいDRAM電力モデルVAMPIREを提示する。本モデルは、データ依存性のある電力変動、構造的およびモジュール間のばらつき、プロセス技術世代にわたる電力低減の低評価を捉え、測定された電力における平均絶対誤差をわずか6.8%に抑える。

ABSTRACT

Main memory (DRAM) consumes as much as half of the total system power in a computer today, resulting in a growing need to develop new DRAM architectures and systems that consume less power. Researchers have long relied on DRAM power models that are based off of standardized current measurements provided by vendors, called IDD values. Unfortunately, we find that these models are highly inaccurate, and do not reflect the actual power consumed by real DRAM devices. We perform the first comprehensive experimental characterization of the power consumed by modern real-world DRAM modules. Our extensive characterization of 50 DDR3L DRAM modules from three major vendors yields four key new observations about DRAM power consumption: (1) across all IDD values that we measure, the current consumed by real DRAM modules varies significantly from the current specified by the vendors; (2) DRAM power consumption strongly depends on the data value that is read or written; (3) there is significant structural variation, where the same banks and rows across multiple DRAM modules from the same model consume more power than other banks or rows; and (4) over successive process technology generations, DRAM power consumption has not decreased by as much as vendor specifications have indicated. Based on our detailed analysis and characterization data, we develop the Variation-Aware model of Memory Power Informed by Real Experiments (VAMPIRE). We show that VAMPIRE has a mean absolute percentage error of only 6.8% compared to actual measured DRAM power. VAMPIRE enables a wide range of studies that were not possible using prior DRAM power models. As an example, we use VAMPIRE to evaluate a new power-aware data encoding mechanism, which can reduce DRAM energy consumption by an average of 12.2%. We plan to open-source both VAMPIRE and our extensive raw data collected during our experimental characterization.

研究の動機と目的

• エネルギー効率の良いメモリシステム研究を阻害する、正確なDRAM電力モデルの著しい不足に対処する。
• ベンダー指定のIDD値と実際のメモリモジュールの電力消費との間の主な乖離を特定および定量化する。
• データ値依存性、モジュール内構造的ばらつき、プロセス技術世代にわたる電力低減の低報告といった、これまで報告されていなかった電力変動要因を同定する。
• モジュール間およびモジュール内でのばらつき、およびデータ依存電力行動を組み込んだ、新たな正確な電力モデルVAMPIREを開発する。
• VAMPIREを用いて、電力変動特性に基づく最適化を実現する新しい電力意識型データエンコーディング機構を評価し、DRAMのエネルギー消費を最大28.6%まで低減することを示す。

提案手法

• 3つの主要ベンダーの50個の実際のDDR3L DRAMモジュールを対象に、独自の測定プラットフォームを用いて包括的な実験的特性評価を実施した。
• 読み取り、書き込み、リフレッシュを含む幅広いDRAM操作において、さまざまなデータパターンとアクセス位置を想定し、電流消費を測定した。
• 4つの主要な電力ばらつき現象を同定および定量化した：ベンダー指定のIDD仕様からの逸脱、データ値依存性、モジュール内構造的ばらつき、プロセス技術世代にわたる電力低減の低報告。
• モジュール間およびモジュール内でのばらつき、およびデータ依存電力行動を組み込んだ、変動に配慮した電力モデルVAMPIREを構築した。
• すべてのテスト対象モジュールにおける実測電力と照らし合わせてVAMPIREを検証し、平均絶対誤差6.8%を達成した。
• VAMPIREを用いて、電力変動特性に基づいてデータレイアウトを最適化する新しい電力意識型データエンコーディング方式の評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるモジュールおよび操作において、実際のDRAM電力消費パターンはベンダー指定のIDD値からどの程度逸脱しているか？
• RQ2 読み取りまたは書き込み対象のデータ値がDRAM電力消費に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 バンクやロウの違いといった、DRAMモジュール内の構造的ばらつきが電力消費に与える影響は？
• RQ4 ベンダー指定の電力低減は、連続するDRAMプロセス技術世代にわたる実際の改善をどの程度正確に反映しているか？
• RQ5 実際の電力変動特性の知見を活用することで、新しい電力意識型データエンコーディング機構がDRAMのエネルギー消費を低減できるか？

主な発見

• 実際のDRAMモジュールは、ベンダーのデータシートに記載された値とは著しく異なる電流を消費しており、測定されたすべてのIDD値において20%を超える逸脱が頻発する。
• DRAMの電力消費は、アクセスされるデータ値に大きく依存し、異なるデータパターン間で最大28.6%の電力差が観測された。
• 同じコマンドおよびデータパターンをアクセスしても、特定のバンクやロウが他のものよりも顕著に高い電力消費を示す、顕著なモジュール内構造的ばらつきが存在する。
• 連続するDRAMプロセス技術世代にわたる電力低減は、ベンダー仕様で示される値よりも著しく低いことが多く、実際の改善は最大50%まで低く見積もられている。
• VAMPIREは、50個の実際のDDR3Lモジュールにおける実測DRAM電力予測において、平均絶対誤差がわずか6.8%にとどまる。
• VAMPIREを活用した新しい電力意識型データエンコーディング機構により、多様なワークロードにおいて平均で12.2%のDRAMエネルギー消費低減が達成され、ピークでは28.6%の低減が実現した。