区域集中全局分布式片上网络关键技术的研究与实现

摘要

随着半导体技术的不断发展，单芯片上集成的处理器核数越来越多，传统的片上互连技术难以满足芯片对性能、功耗、可扩展性、可靠性等方面的要求。由此，片上网络应运而生，有望成为未来多核芯片的核间通信技术。随着集成度的不断提高，在有限的片上资源的限制下，传统的片上网络也面临了性能、功耗、效率、可靠性等一系列设计挑战。因此，研究高性能、低开销、高效的片上网络目前仍是国内外研究的难点。本文对 NoC体系的层次化结构、关键技术、性能评估等方面进行了分析，对三者之间的相互制约关系进行了探讨，重点研究了拓扑结构、路由算法、交换技术、拥塞控制及路由器微架构等关键技术，并对现有研究的不足之处进行了优化改进。论文主要的工作内容及研究成果如下：
　　1.区域集中全局分布式互连架构
　　本文针对传统片上网络的分布式互连架构开销大、效率低等问题，在集中式互连架构和分布式互连架构之间进行权衡，提出了区域集中全局分布式片上网络架构（RCGD_Mesh）。RCGD_Mesh采用2D Mesh网络作为骨架网络，在网络每行、列之间引入链路分配器，网络整体分为水平子网络和垂直子网络。基于该混合拓扑结构， RCGD_Mesh提出了一个最短路径无关路由算法。该路由算法包括三个关键部分：报文注入策略、链路分配算法和报文转发策略。报文注入策略将网络流量分布到两个子网络中，链路分配算法根据区域链路使用情况统一为报文分配链路资源，这两项措施可以有效地均衡网络负载，提高链路利用率，减轻网络拥塞。实验结果表明：RCGD_Mesh可以有效提升网络饱和吞吐率、降低网络延迟、实现更好的负载均衡性。
　　2.基于RCGD_Mesh的双优先级拥塞感知路由算法
　　本章对资源竞争与网络拥塞的关系进行了阐述，就网络拥塞对网络性能的影响进行了分析。其次，对常见解决网络拥塞的研究和技术进行了描述，并对其缺陷进行了分析。然后，针对RCGD_Mesh的缺陷，结合拥塞控制机制，提出了双优先级拥塞感知自适应路由算法DP-CASR。为了进一步提高网络资源利用率和路由效率，DP-CASR算法在RCGD_Mesh的基础上引入了拥塞控制机制，路由器根据本地拥塞信息提出了一个自适应的报文注入策略，同时考虑到硬件开销和效率报文转发采用了确定性路由策略；链路分配器结合本地拥塞信息和区域拥塞信息对链路资源进行分配，且为了提高链路利用率、缓解拥塞，提出了双优先级仲裁策略。由实验结果可知，在4×4网络中，DP-CASR算法在非均匀分布下均可实现网络最大吞吐率，表明其可以及时解决路由资源竞争、避免网络发生拥塞。与传统路由算法相比，DP-CASR路由算法可以有效缓解网络拥塞、提升网络性能。在4×4及8×8网络中，DP-CASR_FULL算法分别可以将网络饱和吞吐率平均提升68.4％和114%。同时，通过对网络流量分布及链路利用率的分析可知，DP-CASR算法在传统路由算法和RCGD_Mesh的基础上明显提升了网络链路利用率。
　　3.基于区域集中全局分布式互连架构的偏转直通路由算法
　　本文对传统路由算法及RCGD_Mesh网络的缺陷进行了阐述。针对该缺陷，结合区域集中全局分布式互连架构，提出了基于 Torus网络的混合拓扑结构 THNoC。进而，提出了偏转直通路由方式STR，针对不同应用需求设计了高性能偏转直通路由算法HPSTR和低开销偏转直通路由算法LCSTR。与传统路由算法及RCGD_Mesh相比，偏转直通路由方式可以将流量均衡的分布在整个网络之上，克服一般网络中出现的网络中心区域拥塞严重，边缘区域路由资源利用率不高的问题。同时，偏转直通路由方式可以有效缩短路由路径，提升路由效率。实验结果表明：STR路由方式可以有效降低网络无阻塞延迟。同时，HPSTR可以明显提升网络性能；LCSTR在保证网络性能的基础上可以有效减少网络硬件开销。在网络负载方面，STR路由方式可以打破传统路由算法的限制，将流量均衡分布在整个网络上，表现出较为理想的负载均衡性。
　　4.基于转发预处理的片上网络交换技术优化
　　本文对虫孔交换技术进行了分析，指出了其局限性及缺陷。进而，对交换技术与网络性能之间的关系进行了理论分析，对比了常见的优化技术及不同优化方法对网络性能的影响以及网络各性能参数之间的影响。然后，针对现有技术的不足，提出了基于转发预处理的交换技术，该技术对传统虫孔交换进行优化，使得路由计算与数据传输并行进行，以避免由于数据“滞留”引起的链路利用率低的问题，进而提升网络性能。理论上而言，转发预处理交换可以实现100%的网络链路利用率。本文将转发预处理交换技术分别引入到XY路由及RCGD_Mesh网络之中，并对各片上网络设计进行性能评估。实验结果表明：转发预处理交换可以实现100%的网络链路利用率，进而有效提升网络性能。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要工作及创新点

1.4论文内容安排

第二章 片上网络关键问题的研究与分析

2.1片上网络关键技术

2.2片上网络性能指标

2.3本章小节

第三章 基于Mesh的区域集中全局分布式片上网络架构3.1引言

3.2 RCGD_Mesh拓扑结构

3.3 RCGD_Mesh路由算法

3.4 RCGD_Mesh路由器微架构

3.5 RCGD_Mesh链路分配器结构

3.6 RCGD_Mesh交换技术

3.7 RCGD_Mesh性能评估

3.8 RCGD_Mesh硬件开销

3.9本章小结

第四章 基于RCGD_Mesh的双优先级拥塞感知路由算法4.1引言

4.2 DP-CASR路由算法

4.3 DP-CASR路由器微架构

4.4 DP-CASR链路分配器结构

4.5 DP-CASR性能评估

4.6 DP-CASR算法硬件开销

4.7本章小结

第五章 基于区域集中全局分布式互连架构的偏转直通路由算法

5.1引言

5.2 THNoC拓扑结构

5.3 STR路由算法

5.4 STR路由性能评估

5.5 STR路由硬件开销

5.6 STR路由功耗评估

5.7本章小结

第六章 基于转发预处理的片上网络交换技术优化

6.1虫孔交换及其性能分析

6.2基于转发预处理的虫孔交换技术

6.3性能评估

6.4硬件开销评估

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

致谢

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