동작 주파수의 증가는 싱글코어 프로세서의 성능을 크게 향상시키는 반면 전력 소모 증가와 높은 온도로 인한 신뢰성 저하 문제를 유발하고 있다. 최근에는 싱글코어 프로세서의 한계점을 극복하기 위한 대안으로 멀티코어 프로세서가 주로 사용되고 있다. 하지만, 멀티코어 프로세서를 2차원 구조로 설계하는 경우에는 내부 연결망에서의 전송 지연 현상으로 인해 프로세서의 성능 향상이 제약을 받고 있다. 내부 연결망에서의 전송 지연을 줄이기 위한 방안으로 멀티코어 프로세서를 3차원 구조로 설계하는 연구가 최근 큰 주목을 받고 있다. 2차원 구조 멀티코어 프로세서와 비교하여 3차원 구조 멀티코어 프로세서는 성능 향상과 전력 소모 감소의 장점을 지닌 반면, 높은 전력 밀도로 인해 발생된 발열 문제가 프로세서의 신뢰성을 위협하는 문제가 되고 있다. 3차원 멀티코어 프로세서에서 발생되는 발열 문제에 대한 상세한 분석이 제공된다면, 프로세서의 신뢰성을 확보하기 위한 연구 진행에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 그러므로 본 논문에서는 3차원 멀티코어 프로세서의 온도에 밀접하게 연관된 요소인 작업량, 방열판과의 거리, 그리고 적층되는 다이의 개수와 온도 사이의 관계를 자세히 살펴보고 높은 온도가 프로세서의 성능에 미치는 영향 또한 분석하고자 한다. 특히, 2차원 구조 멀티코어 프로세서와 3차원 구조 멀티코어 프로세서에서의 온도 문제를 함께 분석함으로써, 온도 측면에서 효율적인 프로세서 설계를 위한 가이드라인을 제시하고자 한다.
Unfortunately, in current microprocessors, increasing the frequency causes increased power consumption and reduced reliability whereas it improves the performance. To overcome the power and thermal problems in the singlecore processors, multicore processors has been widely used. For 2D multicore processors, interconnection is regarded as one of the major constraints in performance and power efficiency. To reduce the performance degradation and the power consumption in 2D multicore processors, 3D integrated design technique has been studied by many researchers. Compared to 2D multicore processors, 3D multicore processors get the benefits of performance improvement and reduced power consumption by reducing the wire length significantly. However, 3D multicore processors have serious thermal problems due to high power density, resulting in reliability degradation. Detailed thermal analysis for multicore processors can be useful in designing thermal-aware processors. In this paper, we analyze the impact of workload distribution, distance to the heat sink, and number of stacked dies on the processor temperature. We also analyze the effects of the temperature on overall system performance. Especially, this paper presents the guideline for thermal-aware multicore processor design by analyzing the thermal problems in 2D multicore processors and 3D multicore processors.
