基于布图规划的三维片上网络功耗优化与仿真

摘要

随着多核处理器的发展，芯片中集成的核的数目不断增多，传统的二维片上网络已经无法满足日益增长的性能需求。由于三维集成电路工艺的不断发展和成熟，将IP核分配在三维拓扑结构上，可以提供比传统二维片上网络更高的网络吞吐率，更低的功耗。
　　 随着纳米科技的发展，互连线上的功耗相对加大。本文针对特定应用的片上网络，根据路由节点和互连线上的漏电功耗和动态功耗，建立了三维片上网络功耗模型。
　　 本文提出了基于传递规约无环图的三维布图规划技术3D-TRG，可以根据特定应用优化三维片上网络中模块的布局，从而使功耗更低。在三维布局中，许多表示法都无法表达所有的布局结构。文中提出的3D-TRG三维布图规划表示法可以表示几乎所有的布局结构，而且具有表达两两模块之间关系的天然属性。对于优化三维片上网络布局有着非常大的优势。
　　 本文基于布图规划技术优化三维片上网络功耗。三维片上网络功耗受到拓扑结构、映射、路由算法、布局、时延、带宽等多方面的影响，本文基于布图规划技术分别采用了模拟退火、遗传算法和离散粒子群算法分别对面向特定应用的三维片上网络进行了优化，并对三种算法的优化结果进行了对比分析。
　　 本文根据优化的拓扑结构、映射、路由算法和布局结果，使用三维不规则拓扑结构片上网络仿真器，面向多个特定应用进行了仿真实验。实验结果表明，评估总功耗与仿真总功耗的误差在3％以内。验证了本文的功耗评估模型以及优化算法中的功耗评估方法是简洁有效的。
　　 在仿真实验中，经过优化的三维不规则拓扑结构与三维Mesh拓扑结构相比，片上网络的总功耗降低了13％～16％，互连线功耗降低了24％～53％，而且网络的吞吐率也提升了2％～22％。可见使用优化的三维不规则拓扑结构，在大幅度降低功耗的同时，还能提升性能。另外，三维片上网络的互连线功耗比二维的互连线功耗降低了56％～72％，且保证性能几乎不受影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要工作

第2章 三维片上网络功耗模型的建立

2．1 概述

2．2 三维片上网络结构介绍

2．2．1 三维集成电路技术的发展

2．2．2 拓扑结构

2．2．3 虚通道技术

2．2．4 路由器结构

2．2．5 路由算法

2．3 路由器功耗分析建模

2．3．1 路由器漏电功耗分析

2．3．2 路由器动态功耗分析

2．4 互连线功耗分析建模

2．4．1 互连线漏电功耗分析

2．4．2 互连线动态功耗分析

2．5 三维片上网络功耗模型

2．6 本章小结

第3章 基于传递规约图的三维布图规划技术

3．1 布图规划技术概述

3．2 问题描述

3．3 三维坐标系统以及模块参数

3．4 两两模块之间关系定义

3．5 3D-TRG表示法

3．5．1 模块关系图

3．5．2 模块关系图的约束条件

3．5．3 特殊布局能力

3．6 数据结构

3．7 模块布局坐标计算

3．8 本章小结

第4章 基于布图规划的三维片上网络功耗优化

4．1 概述

4．2 问题建模

4．2．1 映射问题

4．2．2 路由问题

4．2．3 布局问题

4．2．4 功耗评估

4．3 拓扑结构优化

4．3．1 映射优化

4．4 路由算法优化

4．4．1 规则拓扑结构路由算法

4．4．2 不规则拓扑结构路由算法

4．5 基于模拟退火算法的三维片上网络功耗优化

4．5．1 布局扰动策略

4．5．2 芯片高度约束

4．5．3 初始化过程

4．5．4 代价函数

4．5．5 算法流程

4．5．6 复杂度分析

4．6 基于遗传算法的三维片上网络功耗优化

4．6．1 编码

4．6．2 解码

4．6．3 选择算子

4．6．4 交叉算子

4．6．5 变异算子

4．6．6 芯片高度约束

4．6．7 精英遗传机制

4．6．8 种群初始化过程

4．6．9 代价函数

4．6．10 算法流程

4．6．11 复杂度分析

4．7 基于离散粒子群算法的三维片上网络功耗优化

4．7．1 编码和解码

4．7．2 惯性机制

4．7．3 学习机制

4．7．4 调整非法解为可行解

4．7．5 芯片高度约束

4．7．6 粒子初始化过程

4．7．7 代价函数

4．7．8 算法流程

4．7．9 复杂度分析

4．8 实验结果对比分析

4．8．1 测试用例

4．8．2 运行环境

4．8．3 算法参数设置

4．8．4 算法优化性能对比

4．8．5 实验结果对比

4．9 本章小结

第5章 面向特定应用的三维片上网络仿真实验

5．1 概述

5．2 模拟器介绍

5．2．1 二维规则拓扑结构模拟器

5．2．2 三维不规则拓扑结构模拟器

5．3 模拟器的改进

5．3．1 多目标地址流量的生成

5．3．2 自定义路由算法

5．4 实验结果

5．5 实验参数设置

5．5．1 算法评估功耗与模拟器仿真功耗对比

5．5．2 三维优化拓扑结构与3D Mesh拓扑结构功耗对比

5．5．3 三维片上网络与二维片上网络功耗对比

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

致谢

参考文献