片上网络分层交换结构设计及性能研究

摘要

片上网络是近年来众核片上系统中的研究热点之一，它将通信网络技术引入到芯片设计之中，以突破传统总线连接方式所导致的核问通信的约束。目前，针对片上网络的面积与功耗、布线复杂度、可扩展性等设计需求，人们通常采用mesh拓扑和单层交换方式来构建片上网络的基础结构。然而，随着芯片工艺水平的不断提升，片内核的数量持续增长，这种单层mesh结构在通信性能上表现出一定劣势，因此，探索新的路由或交换体系结构成为片上网络的一项重要研究内容。
　　 本文借鉴计算机通信的分层组网技术，结合片上网络的特点，引入三层交换模型，提出了一种三层片上网络结构，以降低芯片布线冗余度，并提高通信性能。它将片上网络内交换节点分为接入级、汇聚级、核心级三个级别。资源节点分布在网络边缘，通过与接入级交换节点相连接入到网络；接入级交换节点彼此相连并连接到上层的汇聚级交换节点；汇聚级交换节点彼此相连并连接到核心级交换节点。这种结构可减少芯片中通信部分的而积占比，减少核间的通信跳数，同时具有较低的布线复杂度。本文选取NS2作为仿真平台，设计了仿真方案，对三层片上网络结构的性能进行了分析。研究表明，在同等网络规模下，相比于采用mesh拓扑的CLICHE结构，三层片上网络结构的平均包时延降低了约16个百分点，吞吐率提升了约3个百分点，丢包率降低了约9个百分点。在高负荷下，三层片上网络结构的吞吐性能提升更为明显。此外，三层片上网络结构具有更高的最大零丢包运行速率。研究还发现，单纯提高交换节点的缓存容量，并不能有效改善三层片上网络结构的丢包率，反而会导致时延性能下降。