Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD (대한전자공학회논문지SD)

The Institute of Electronics and Information Engineers (대한전자공학회)
권호 표지

Dynamic Voltage Scaling (DVS) Considering the DC-DC Converter in Portable Embedded Systems

휴대용 내장형 시스템에서 DC-DC 변환기를 고려한 동적 전압 조절 (DVS) 기법

  • Choi, Yong-Seok (School of Computer Science and Engineering, Seoul National University) ;
  • Chang, Nae-Hyuck (School of Computer Science and Engineering, Seoul National University) ;
  • Kim, Tae-Whan (School of Electrical Engineering, Seoul National University)
  • 최용석 (서울대학교 컴퓨터공학부) ;
  • 장래혁 (서울대학교 컴퓨터공학부) ;
  • 김태환 (서울대학교 전기공학부)
  • Published : 2007.02.25
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Abstract

Dynamic voltage scaling (DVS) is a well-known and effective power management technique. While there has been research on slack distribution, voltage allocation and other aspects of DVS, its effects on non-voltage-scalable devices has hardly been considered. A DC-DC converter plays an important role in voltage generation and regulation in most embedded systems, and is an essential component in DVS-enabled systems that scale supply voltage dynamically. We introduce a power consumption model of DC-DC converters and analyze the energy consumption of the system including the DC-DC converter. We propose an energy-optimal off-line DVS scheduling algorithm for systems with DC-DC converters, and show experimentally that our algorithm outperforms existing DVS algorithms in terms of energy consumption.

동적 전압 조절(Dynamic voltage scaling, DVS) 기법은 가장 효과적이면서 가장 잘 알려진 전력 관리 기법 중 하나이다. DVS가 효율적인 여유 시간(Slack time) 분배 방법, 전압 할당 방법 등 다양한 방면에서 연구되었지만, 전압 변경 가능 프로세서 이외의 장치들에 대한 영향은 제대로 연구되지 못했다. DC-DC 변환기는 오늘날 대부분의 내장형 시스템에서 내부 장치들을 위한 다양한 값의 공급 전압 생성 및 전압 안정화 기능을 제공하는 중요한 역할을 하고 있으며, 특히 공급 전압의 계속적인 변경이 필요한 DVS를 적용하기 위해서는 필수적인 구성 요소이다. 이 논문에서는 DC-DC 변환기의 전력 소모를 포함한 시스템의 에너지 소모에 대해 분석하고 이를 바탕으로 DC-DC 변환기를 포함하는 시스템 또는 이와 유사한 형태의 에너지 소모 특성을 가지는 시스템에서 에너지 소모를 최소화하는 새로운 에너지 최적 오프라인 DVS 스케줄링 알고리즘을 제안하고, 실험 결과를 통해 제안된 알고리즘이 어떤 종류의 설정에서도 기존의 DVS 알고리즘보다 더 적은 에너지 소모의 스케줄을 생성함을 보여준다.

Keywords

References

  1. F. Yao, A. Demers and A. Shenker, 'A scheduling model for reduced CPU energy,' IEEE Foundations of Computer Science, pp. 374-482, 1995 https://doi.org/10.1109/SFCS.1995.492493
  2. G. Quan and X. S. Hu, 'Minimum energy fixed-priority scheduling for variable voltage processors,' Proc. of IEEE Design, Automation and Test in Europe, pp. 782-787, 2002 https://doi.org/10.1109/DATE.2002.998388
  3. Y. Shin, K. Choi and T. Sakurai, 'Power optimization of real-time embedded systems on variable speed processors,' Proc. of IEEE International Conference on Computer-Aided Design, pp. 365-368, 2000
  4. P. Pillai and K. G. Shin, 'Real-time dynamic voltage scaling for low-power embedded operating systems,' Proc. of ACM Symposium on Operating Systems Principles, pp. 89-102, 2001 https://doi.org/10.1145/502034.502044
  5. D. Shin, J. Kim and S. Lee, 'Intra-task voltage scheduling for low-energy hard real-time applications,' IEEE Design and Test of Computers, Vol. 18, No. 2, pp. 20-30, March 2001 https://doi.org/10.1109/54.914596
  6. J. Seo, T. Kim and K. Chung, 'Profile-based optimal intra-task voltage scheduling for hard real-time applications,' Proc. of ACM/IEEE Design Automation Conference, pp. 87-92, 2004
  7. Y. Cho and N. Chang, 'Memory-Aware Energy-Optimal Frequency Assignment for Dynamic Supply Voltage Scaling,' Proc. of International Symposium on Low Power Electronics and Designs, pp. 387-392, 2004 https://doi.org/10.1145/1013235.1013327
  8. R. Jejurikar, C. Pereira and R. Gupta, 'Leakage aware dynamic voltage scaling for real-time embedded systems,' Proc. of Design Automation Conference, pp. 275-280, 2004
  9. V. Kursun, S. G. Narendra, V. K. De and E. G. Friedman, 'Monolithic DC-DC converter analysis and MOSFET gate voltage optimization,' Proc. of IEEE International Symposium on Quality Electronic Design, pp. 279-284, 2003 https://doi.org/10.1109/ISQED.2003.1194746
  10. M. M. Jovanovic, M. T. Zhang and F. C. Lee, 'Evaluation of synchronous-rectification efficiency improvement limits in forward converters,' IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 42, No. 4, pp. 387-395, August 1995 https://doi.org/10.1109/41.402478
  11. Y. Choi, N. Chang and T. Kim, 'DC-DC Converter-Aware Power Management for Battery-Operated Embedded Systems,' Proc. of Design Automation Conference, pp. 895-900, 2005 https://doi.org/10.1145/1065579.1065814
  12. Texas Instruments, 'TPS40009 Datasheet,' 'http://www.ti.com'
  13. Texas Instruments, 'TPS62100 Datasheet,' 'http://www.ti.com'
  14. A. Stratakos, 'High-efficiency low-voltage DC-DC conversion for portable applications,' Ph. D. dissertation, Univ. California, Berkeley, 1999
  15. Linear Technology, 'LTC3445 Datasheet,' 'http://www.linear.com'