片上互連網(wǎng)絡(luò)跨層交互的應(yīng)用層優(yōu)化框架.pdf

1、隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片上的集成晶體管數(shù)目呈指數(shù)增加。當(dāng)集成電路工藝進(jìn)入到65 nm以下，線延時(shí)不再隨著工藝特征尺寸縮小而減少。芯片的性能無(wú)法隨著器件數(shù)目和時(shí)鐘頻率的增加而成比例的提升。隨著系統(tǒng)應(yīng)用復(fù)雜度的增加，可以將多個(gè)處理器核、存儲(chǔ)器以及其他的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(intellectual propertycore，簡(jiǎn)稱IP核)，通過(guò)片上網(wǎng)絡(luò)互連的方式，集成到單一芯片中。片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要考慮低能耗、高帶寬、低傳輸延遲、可擴(kuò)展、可靠性等設(shè)計(jì)

2、要求和挑戰(zhàn)。從系統(tǒng)的角度綜合考慮這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和要求，基于層次交互構(gòu)件方法，重點(diǎn)研究片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)亟待解決的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：應(yīng)用映射、多播路由，以及消息依賴造成的死鎖。
　　 首先，針對(duì)二維片上網(wǎng)絡(luò)，本論文提出一種感知應(yīng)用通信特性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用映射算法：基于應(yīng)用模板的高效應(yīng)用映射算法(template-aware efficientmapping，簡(jiǎn)稱TEM)。TEM按照應(yīng)用的通信軌跡圖的特性，將應(yīng)用分為兩大類，1)存在通信熱點(diǎn)的應(yīng)

3、用和2)通信比較均勻的應(yīng)用。對(duì)于第一類應(yīng)用，TEM將熱點(diǎn)及其相連的節(jié)點(diǎn)映射到靠近的資源節(jié)點(diǎn)；對(duì)于第二類應(yīng)用，TEM采用圖劃分的方式進(jìn)行映射。TEM可以被用在二維網(wǎng)格、環(huán)繞網(wǎng)格、蝶形胖樹(shù)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將TEM映射算法的結(jié)果作為遺傳算法(genetic algorithm，簡(jiǎn)稱GA)的初始群體，得到更為優(yōu)化的映射算法GA+TEM。采用SPLASH-2基準(zhǔn)測(cè)試的通信軌跡作為Noxim片上網(wǎng)絡(luò)仿真器的輸入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GA+TEM比單純使用GA

4、算法明顯降低了通信能耗(5％-20％)。
　　 本論文進(jìn)一步提出了一種針對(duì)三維集成片上網(wǎng)絡(luò)的增量式應(yīng)用映射算法：高能效的運(yùn)行時(shí)增量式應(yīng)用映射算法框架(energy efficient run-time incrementalmapping framework，簡(jiǎn)稱ERIM)。ERIM根據(jù)新到達(dá)應(yīng)用的任務(wù)圖的特性，將應(yīng)用分為兩種類型，1)通信密集型和2)計(jì)算密集型。對(duì)于這兩種類型的應(yīng)用，ERIM首先找到一個(gè)長(zhǎng)方體形狀的資源節(jié)點(diǎn)區(qū)域

5、，以減少對(duì)未到達(dá)應(yīng)用的影響。對(duì)于通信密集型的應(yīng)用，ERIM通過(guò)有效地利用垂直方向所增加的連接度，來(lái)降低通信能耗。而對(duì)于計(jì)算密集型的應(yīng)用，ERIM盡量平衡在每一個(gè)垂直堆疊(vertical stack)上運(yùn)行任務(wù)的處理器核之間的溫度來(lái)避免溫度超過(guò)門限值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ERIM產(chǎn)生的映射結(jié)果比兩個(gè)貪婪式映射算法的映射結(jié)果的能耗低達(dá)15％。
　　 其次，我們考慮多個(gè)應(yīng)用被分配到同一個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中而每一個(gè)應(yīng)用的子區(qū)域可能不規(guī)則時(shí)，如何

6、進(jìn)行多播路由。本論文提出了一種面向不規(guī)則子區(qū)域的多播路由策略，其原理如下：基于一個(gè)現(xiàn)有的多播路由算法，比如多播XY路由，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)輸出端口所連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不在同一個(gè)子區(qū)域內(nèi)，就選擇另外一個(gè)方向(稱為替換方向，alternative)?；谶@個(gè)策略，提出了一個(gè)面向二維子區(qū)域的替換多播XY路由算法(alternative multicasting XY routing，簡(jiǎn)稱AL+XY)和一個(gè)面向三維子區(qū)域的替換多播XYZ路由算法(alter

7、native multicasting XY routing，簡(jiǎn)稱AL+XYZ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AL+XY比多次單播和區(qū)域內(nèi)廣播兩種方法，能耗和延遲都低。當(dāng)多播對(duì)單播比例為0.3、注入率為0.4(flit/cycle)的時(shí)候，多次單播和子區(qū)域內(nèi)廣播的能耗分別為AL+XY的2.2倍和2倍。在同樣的多播對(duì)單播比例和注入率下，多次單播和子區(qū)域內(nèi)廣播的延遲分別為AL+XY的11和1.2倍。AL+XY可以被擴(kuò)展為適用于三維集成片上網(wǎng)絡(luò)子區(qū)域多播的A

8、L+XYZ多播路由。AL+XY和AL+XYZ路由器在TSMC65nm工藝下綜合，工作頻率為800MHz。AL+XY比二維網(wǎng)格片上網(wǎng)絡(luò)的單播路由器面積增加了3％，AL+XYZ的面積比三維集成片上網(wǎng)絡(luò)單播路由器面積增加了7％。
　　 最后，本論文中提出了一種可以避免在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流式傳輸系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的請(qǐng)求-請(qǐng)求類型消息依賴造成的死鎖的方法。消息依賴造成的死鎖產(chǎn)生的原因是網(wǎng)絡(luò)中的消息不能被目的節(jié)點(diǎn)消耗而駐留在網(wǎng)絡(luò)中，這些消息相互依賴，從而

9、造成死鎖。本論文從理論上證明了一個(gè)避免請(qǐng)求-請(qǐng)求類型消息依賴造成的死鎖的充分條件，并提出可以通過(guò)增加非均勻虛通道(即路由器的每個(gè)端口所配置的虛通道數(shù)目可以不一樣)來(lái)避免這種死鎖?；谠摾碚?，本論文進(jìn)一步證明了尋找最小數(shù)目的非均勻虛通道的問(wèn)題是一個(gè)NP完全問(wèn)題，并提出一個(gè)基于線性規(guī)劃的近似算法：路徑選擇和最少虛通道分配方法(path selection and minimum virtualchannel allocation，簡(jiǎn)稱PSM