参数分簇层次化NoC结构设计优化及开销评估

发布时间：2020-10-09 11:00

　　片上网络(Network-on-Chip,NoC)是片上多核互连通信的有效解决方案,提高了多核系统的扩展性和通信带宽。然而,随着工艺的发展,芯片集成的核心数目不断增加,平面NoC结构的网络延迟和吞吐性能不断变差。为了克服传统平面结构的通信瓶颈,研究人员提出了层次化互连NoC,通过增加上层路由平面,提供更丰富的传输路径和网络资源,使之更适合大规模网络通信。目前层次化NoC结构设计存在以下三方面的问题:(1)层次化结构在不同网络尺寸下设计不灵活、层间流量不均衡;(2)面向性能优化时,层次化结构的优化探索问题;(3)由于增加了多层网络资源,层次化结构的开销准确评估问题。本文针对以上问题,分别从层次化NoC的结构设计、结构优化以及结构开销评估三个方面对层次化NoC结构进行了研究。论文的主要研究工作如下:e1、针对现有层次化NoC在不同节点规模下设计不灵活、层间流量不均衡的问题,提出了一种基于参数分簇的层次化片上网络结构设计方法(PHNoC)。采用2x2与4x4的Mesh分簇作为各层互连单元,通过参数设定各层的分簇尺寸和层间链路数量,实现不同节点规模下结构的灵活设计;同时设计了可实现层间流控的无死锁路由算法,采用跨层流控参数实现层间的流量控制。PHNoC结构使得网络延时和吞吐性能显著提升,在较大规模256节点时,非均匀流量模式下,PHNoC的结构相比2Dmesh结构延时降低18.76%,吞吐提升18.57%。2、现有层次化NoC多为经验结构,为了有效探索层次化NoC结构设计空间,面向低延时的目标,提出一种面向时延的层次化Mesh NoC结构优化算法(LAHNS)。首先基于PHNoC建立了层次化结构的参数模型,基于此模型和流量概率分布建立了网络端到端延时解析模型,作为优化的目标函数,最后通过模拟退火算法进行优化,快速搜索得到设计空间中延时最优的结构参数组合。实验表明,延时解析模型准确度可达98%以上,在均匀和非均匀流量模式下,优化算法可有效降低层次化Mesh NoC延时,且系统规模越大效果越明显。3、针对采用传统分析方法评估层次化NoC面积开销不精确的问题,提出基于路由节点度分类的层次化Mesh互连结构面积开销评估模型(NDCB)。根据路由节点度与路由位置相关的特点,分别建立了路由、链路统计模型;进而利用业界芯片面积开销模型——Orion,获得精确的网络面积开销模型。实验和ISE综合结果表明,相比传统计算方法,NDCB模型具有较好的准确性;此外,两层的Mesh结构资源在256节点内增加10%,而三层时增加20%,因此在层次化NoC设计时必须考虑资源和性能的折中。
【学位单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN47
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章绪论
    1.1 研究背景与意义
        1.1.1 片上网络概述
        1.1.2 层次化NoC结构研究意义
    1.2 层次化NoC结构研究现状
    1.3 层次化NoC结构设计存在的问题
    1.4 论文主要内容和章节安排
        1.4.1 论文主要内容
        1.4.2 论文章节安排
第二章层次化NoC结构相关技术
    2.1 片上网络拓扑结构
    2.2 NoC拓扑结构探索和优化
    2.3 片上网络结构性能测试技术
        2.3.1 NoC拓扑性能测试
        2.3.2 常见空间分布合成流量
        2.3.3 Rent流量模型
    2.4 层次化NoC实现与资源开销
    2.5 小结
第三章一种基于参数分簇的层次化片上网络设计方法
    3.1 分簇结构
    3.2 参数分簇层次化Mesh NoC设计方法
        3.2.1 参数分簇
        3.2.2 PHNoC参数化设计方法
        3.2.3 层次化无死锁路由算法(PHXY)
    3.3 PHNoC结构特性与资源对比分析
        3.3.1 结构特性
        3.3.2 资源开销与复杂度
    3.4 仿真实验与验证
        3.4.1 仿真实验平台
        3.4.2 仿真结果分析
    3.5 本章小结
第四章面向延时的层次化片上网络结构优化算法
    4.1 层次化Mesh设计空间参数模型
        4.1.1 层次化Mesh参数模型
        4.1.2 层次化无死锁路由算法
    4.2 三种尺寸参考Ref结构
    4.3 层次化Mesh NoC延时解析模型
        4.3.1 模型假设
        4.3.2 路由器分层排队时延
        4.3.3 层次化Mesh分层传输延时
    4.4 面向延时的NoC结构优化算法
        4.4.1 优化问题与优化流程
        4.4.2 模拟退火算法
        4.4.3 优化结果与时间
    4.5 仿真验证
        4.5.1 延时模型的准确性验证与分析
        4.5.2 优化结构性能对比分析
    4.6 本章小结
第五章基于节点度分类的层次化片上网络面积开销评估模型
    5.1 NoC资源分析模型-Orion
    5.2 层次化NoC中路由节点度分类
        5.2.1 层次化Mesh参数模型
        5.2.2 NoC路由器基于节点度分类
    5.3 基于节点度分类的开销分析模型
        5.3.1 模型假设
        5.3.2 路由器和链路数量模型
        5.3.3 基于Orion模型的路由器和链路面积
    5.4 实验与分析
        5.4.1 仿真平台
        5.4.2 模型准确性验证
        5.4.3 传统评估方法对比
        5.4.4 层次化Mesh NoC开销评估
    5.5 本章小结
第六章结束语
    6.1 主要工作及结论
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
作者简历

【参考文献】