基于三维NoC的MPSoC温度预测与任务分配研究

摘要

随着集成电路技术的发展，多处理器片上系统已经成为了下一代单芯片处理器的主要设计形式。由于传统全局互连方式（总线互连）阻碍了系统性能的提升和规模的扩展，基于三维片上网络的多处理器片上系统将成为多处理器片上系统今后主要的研究方向，该设计可以提供更大的互连带宽，更低的网络能耗和更高的晶体管密度以实现更高的性能。然而，较大的晶体管密度及不断提高的处理器工作频率使得多处理器片上系统中处理器过热，形成了不可避免的散热问题，这成为阻碍多处理器片上系统性能提高的关键问题之一。论文针对基于三维片上网络的多处理器片上系统散热问题，从温度预测与任务分配方面展开深入的研究，重点解决温度预测中预测准确度的优化与预测时长的拓宽、温度信息共享策略的信息延迟优化和静态任务分配中峰值温度和热量分布均衡的优化这三个关键问题。
　　论文首先从分析温度变化过程中的非线性特点出发，以RC热传导(Thermal Resistanceand Capacitance，Thermal RC)模型为基础，结合二阶导数提出了一种温度预测模型。该模型不仅可以在较低的运算复杂度下准确预测温度，而且能在固定的预测误差率范围内拓宽预测时间长度。实验结果表明，相比现有的一次导数预测模型，在相同可接受误差率范围内，该模型能将预测时长拓宽至对比模型的1.6倍。同时，当预测时长拓展至2.5s时，该模型的预测准确率比对比模型高3.84％。
　　针对基于多播传输的温度信息共享策略的研究，提出了一种平衡分区多播传输方法，该方法可以权衡启动延迟和网络延迟这两个延迟性能参数动态地选择当前网络的最优分区个数，并根据源节点在网络中的位置划分最优的分区结构，在完成分区的基础上对各个子分区中的信息进行路由传输，从而尽可能地减小多播传输的总延迟。实验结果表明，在相同网络配置条件下，相比于现有的递归分区多播传输方法，本方法最大能减少16.4％的延迟。当传输数据包长度为1 flit，5flits和15 flits时，在三种拓扑结构(4×4×3，8×8×3和16×16×3)中，本方法最大分别能减少与之对比的递归分区多播传输方法2.4％，4.1％和18.3％的延迟。
　　针对静态任务分配研究，综合三维片上网络架构中不同水平层的散热能力差异以及垂直方向上处理器核之间的热特性，提出一种可以均衡区域温度的任务集映射分配(Task SetAllocation，TSA)方案，并以减小峰值温度为目标在该分配方案的基础上做了改进，改进后的基于顶层功率排序的任务集分配(Task Set Allocation based on Top Power，TP-TSA)方案可以降低处理器核的峰值温度，减小热点产生的几率。实验结果表明，相比于现有的Adapt3D方案，本文的TP-TSA方案平均可以将分配后热点出现的几率减少37.43％，并同时提高30.44％的吞吐量，在三种拓扑结构（2×2×2，2×2×3和2×2×4）中，热点减小的几率和吞吐量最大可以分别提高47.88％，46.35％。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 片上网络发展概况

1．1．1 片上系统及其发展

1．1．2 片上网络简介

1．1．3 片上网络的优势及其发展趋势

1．2 三维片上网络及其关键问题

1．2．1 三维片上网络

1．2．2 三维片上网络的关键问题

1．3 散热问题的国内外研究现状

1．3．1 基于结构方面的研究

1．3．2 基于软件方法的研究

1．3．3 片上网络散热机制设计框架

1．4 论文的研究内容

1．5 论文结构安排

第二章 三维片上网络散热研究路线

2．1 温度预测研究

2．1．1 温度预测研究现状

2．1．2 结合二次导数的温度预测模型

2．2 温度信息共享策略研究

2．2．1 多播传输研究现状

2．2．2 平衡分区多播传输方法

2．3 静态任务分配研究

2．3．1 静态任务分配研究现状

2．3．2 基于任务集映射的任务分配方案

2．4 本章小结

第三章 结合二次导数的温度预测

3．1 温度预测研究现状分析

3．2 结合二次导数的温度预测机制

3．2．1 预测模型

3．2．2 硬件实现

3．3 实验结果分析

3．3．1 实验环境

3．3．2 预测窗口长度

3．3．3 预测准确度

3．4 本章小结

第四章 基于平衡分区多播传输的温度信息共享策略

4．1 信息共享策略研究现状分析

4．2 平衡分区多播传输方法

4．2．1 标签分配

4．2．2 平衡分区方法

4．2．3 基于平衡分区的路由算法

4．3 实验结果分析

4．3．1 实验环境

4．3．2 全局温度信息共享效率

4．3．3 不同负载下的延迟性能比较

4．4 本章小结

第五章 基于任务集映射的静态任务分配

5．1 静态任务分配研究现状分析

5．2 静态任务分配方案

5．2．1 任务集映射分配法(TSA)

5．2．1 基于顶层功率排序的任务集分配改进算法(TP-TSA)

5．3 实验结果分析

5．3．1 实验环境

5．3．2 TP-TSA方案与TSA方案性能比较

5．3．3 TP-TSA方案与Adapt3D方案性能比较

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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