低延迟无缓存传输与控制分离的片上网络拓扑结构研究

摘要

先进微电子与半导体工艺技术极大地提升了晶体管翻转速度，降低了门延时，但是芯片中全局线时延导致的信号传输与功耗问题却变得越来越糟糕。由于当前的微处理器体系结构决定着芯片中导线必须连接芯片上的每一个功能单元，因而，互连线延时成为阻碍芯片性能提升的关键因素。同时，单一芯片上可集成的处理器核和各种功能模块的数量持续增加，现有的微处理器体系结构不再具备解决片上多处理器芯片系统所需的能力。基于互连流水思想的片上网络（Network on-Chip，NoC）的体系结构是一种理想的解决方案，它将不可预测全局线时延转变可控的事件延迟。基于片上网络的系统将以计算为中心的系统设计方法转变到以通信为中心的系统设计方法上来，为片上多处理器核系统提供高性能的通信与数据传输。
　　 网格型结构、树形结构、多环形结构等是当前应用和研究较多几种片上网络拓扑结构。作为一个前沿性的研究领域，片上网络在它的拓扑结构、应用开发、系统平台及其开发工具设计等方面还有许多的课题值得深入地开展研究，比如EDA设计工具、操作系统、实现成本、网络延迟、缓存策略、网络拥塞、死锁，以及网络热点等问题。且现有的片上网络体系结构中，交换节点是最基本组成单元，它承担着片上网络除物理层之外的全部功能，所以它的功能繁琐、结构复杂、实现成本较高，数据传输在节点内的延迟也较长。这种结构不仅阻碍了片上网络性能的提升，且大量的内置缓存也大大增加芯片的实现成本。
　　 基于上述分析，本文提出一种新型的片上网络拓扑结构：传输与控制分离的片上网络 S-mesh。基于S-mesh系统结构中，其片上通信网络采用电路交换方式，而处于网络外部边缘设备如资源节点则采用报文分组交换方式。S-mesh片上网络结构包含两个子网：基于2D-mesh的数据传输网络和基于Butterfly的控制网络。S-mesh网络结构与其他几种网络拓扑的区别主要有两点。第一：S-mesh网络的交换节点不再承担传输层功能，网络层功能。第二：设置网络管理单元，实现系统的资源管理、路由决策以及流量控制等功能。本文的研究工作主要体现在网络的拓扑结构、无缓存的交换节点结构、网络的流量控制、以及系统的路由算法等几个方面。
　　 在网络的拓扑结构方面，采用传输与控制分离的体系结构以精简交换节点功能，构建低延迟的片上通信网络。其次，采用无缓存的交换节点结构来减少缓存容量、降低芯片实现成本，使报文在交换节点传输延迟缩减为一个时钟周期。基于最短路由和目标驱动的S-mesh路由算法为网络中传输进程确定最优路由路径，并与系统三级流量控制策略一起，为S-mesh网络拥塞和死锁等现象的解决奠定了基础。最后采用旁路网络的BS-mesh网络结构来优化网络中相邻节点的通信性能。
　　 结果表明，S-mesh网络具备很强的处理能力，其控制网络的峰值处理能力可达2425 MIPS；传输与控制分离的体系结构对网络资源统一管理，避免了网络拥塞和死锁现象的产生；而无缓存的交换节点结构使芯片具有更低实现成本，更高的对分带宽，单交换节点最高可提供23.5GB/s数据传输带宽，在4×4的S-mesh结构中，对分带宽最高为37.64GB/s，其芯片实现面积具有明显的优势，处于领先水平（0.0186mm2），且具有更快的运行速度。
　　 传输与控制分离的S-mesh 片上网络具有低延迟、高性能、低成本特点。S-mesh网络结构适合在中等及其以上的网络规模中使用，对报文长度较长的业务更具优势，BS-mesh网络结构则适合于数据传输具有明显区域性的应用场合。