本文選題：片上網(wǎng)絡(luò) + 低功耗　； 參考：《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip,NoC)具有可重用可擴(kuò)展以及支持并發(fā)通信等特點(diǎn),已經(jīng)成為大規(guī)模片上系統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)中解決全局互連與通信問題的有效方案之一。由于基于NoC通信架構(gòu)的SoC系統(tǒng)規(guī)模巨大,隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的縮小,功耗幾乎是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的約束,功耗的增加會導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此在NoC研究內(nèi)容中,低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文針對NoC通信架構(gòu)的SoC系統(tǒng)中功耗的主要來源部分:通信節(jié)點(diǎn)通信功耗以及資源節(jié)點(diǎn)計(jì)算功耗,在系統(tǒng)級與體系結(jié)構(gòu)級層次上,進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)方法研究。重點(diǎn)解決了NoC路由節(jié)點(diǎn)中虛通道與緩沖區(qū)資源的分配、面向能耗的NoC電壓島劃分以及基于電壓島的NoC路徑分配等關(guān)鍵問題,以指導(dǎo)片上網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究。本文主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:針對片上網(wǎng)絡(luò)中虛通道資源平均分配所導(dǎo)致的面積與功耗開銷巨大的問題,提出了一種基于模擬退火算法的虛通道資源分配方法(Simulated Annealing based Virtual Channels Allocation,SAVCA)。該方法在建立了二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)片上網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,以傳輸延時(shí)性能為約束條件對虛通道資源進(jìn)行合理分配,通過提高虛通道利用率來減少其數(shù)目,達(dá)到最小化路由節(jié)點(diǎn)功耗開銷的目標(biāo)。采用均勻流量及熱點(diǎn)流量通信方式下的多組仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了SAVCA算法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在保證傳輸延時(shí)性能的同時(shí),經(jīng)過SAVCA算法對虛通道資源進(jìn)行合理分配后,可有效減少虛通道總數(shù),最高可降低29.9%的路由節(jié)點(diǎn)功耗。針對NoC路由節(jié)點(diǎn)中緩沖區(qū)資源平均分配導(dǎo)致其利用率較低或傳輸延時(shí)較長等缺點(diǎn),研究了緩沖區(qū)資源非平均分配方案,分別提出了傳輸延時(shí)性能優(yōu)化的緩沖區(qū)資源分配算法MP(Multi-Path)和傳輸延時(shí)性能約束的緩沖區(qū)資源分配算法SP(Single-Path)。MP算法采用多路徑傳輸方式來優(yōu)化通信負(fù)載分布,達(dá)到傳輸延時(shí)性能最優(yōu),緩沖區(qū)資源需求最少;SP算法采用單路徑傳輸方式,以傳輸延時(shí)性能為約束條件,最小化緩沖區(qū)大小�；谶@兩種算法,論文運(yùn)用排隊(duì)論理論建立了相應(yīng)的緩沖區(qū)資源分配問題數(shù)學(xué)模型,并采用模擬退火算法進(jìn)行緩沖區(qū)資源分配。通過均勻流量和熱點(diǎn)流量通信方式下的多組仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了兩種方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過這兩種方法對緩沖區(qū)資源進(jìn)行合理分配后,可在傳輸延時(shí)性能最優(yōu)或者滿足傳輸延時(shí)性能約束條件的同時(shí),提高緩沖區(qū)利用率,最小化緩沖區(qū)大小,達(dá)到優(yōu)化路由節(jié)點(diǎn)功耗的目標(biāo)。為解決因?yàn)殡妷簫u的劃分結(jié)果會影響系統(tǒng)可靠性、傳輸延時(shí)以及能耗等性能指標(biāo),并且電壓島數(shù)目過多會增加系統(tǒng)復(fù)雜性等問題,提出了一種基于整數(shù)線性規(guī)劃(Integer Linear Programming,ILP)算法的電壓島劃分方法(ILP based Voltage Island Partition,ILPVIP)。在保證網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)(延時(shí)和可靠性等)的同時(shí),完成了電壓島劃分,達(dá)到優(yōu)化NoC系統(tǒng)中計(jì)算能耗的目標(biāo)。通過嵌入式系統(tǒng)綜合評測E3S測試基準(zhǔn)中的多組應(yīng)用實(shí)例、隨機(jī)基礎(chǔ)測試用例以及一個(gè)多媒體系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了ILPVIP算法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在滿足多重約束條件的同時(shí),ILPVIP算法最高可降低33.6%的系統(tǒng)總能耗。針對電壓島島間通信會影響到數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和通信能耗、網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載不均衡易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題,研究了基于電壓島的NoC低能耗路徑分配問題,提出了一種基于電壓島的NoC路徑分配方法(Genetic Algorithm based Routing,GAR)。在保證通信延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載均衡的同時(shí),為應(yīng)用中的每條通信蹤跡生成一條確定性的、能耗最小的最短路由路徑。通過E3S測試基準(zhǔn)中的多組應(yīng)用實(shí)例、隨機(jī)基礎(chǔ)測試用例以及一個(gè)多媒體系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的有效性,與現(xiàn)有的VFI-aware和GLR算法相比,GAR算法可平均節(jié)省21.7%的能耗和21.8%的鏈路帶寬需求。
[Abstract]:Network on Chip (NoC) has the characteristics of reusable and scalable and support concurrency communication. It has become one of the most effective solutions to solve global interconnection and communication problems in large scale on chip system SoC design. Because of the large scale of SoC system based on NoC communication architecture, with the reduction of the feature size of semiconductor devices, the power consumption is almost the same. It is the most important constraint in the system design, and the increase of power consumption will result in the increase of the chip's calorific value and the decrease of reliability. Therefore, in the research content of NoC, the research of low power design technology has important theoretical and practical significance. In this paper, the main source of power consumption in the SoC system of NoC communication architecture: communication node communication power consumption And the resource node calculates power consumption and studies the low power design method at system level and architecture level. It focuses on the allocation of virtual channel and buffer resources in NoC routing nodes, energy oriented NoC voltage island partition and NoC path allocation based on voltage island, so as to guide the low power design side of the network on chip. The main innovation of this paper is as follows: a virtual channel resource allocation method based on simulated annealing algorithm (Simulated Annealing based Virtual Channels Allocation, SAVCA) is proposed to solve the problem of the huge cost of the virtual channel resource allocation in the on-chip network. On the basis of the network communication mathematical model on the grid structure, the virtual channel resources are allocated rationally with the transmission delay performance as a constraint. The target of minimizing the number of virtual channel utilization to minimize the number of the virtual channel utilization is achieved. The multi group simulation experiments under the uniform traffic and hot flow traffic mode are used for the test. The effectiveness of the SAVCA algorithm is proved. The experimental results show that the total number of virtual channels can be reduced effectively after the SAVCA algorithm is used to allocate the virtual channel resources reasonably, and the power consumption of the routing nodes can be reduced to a maximum of 29.9%. The average allocation of buffer resources in the NoC routing nodes leads to low utilization or transmission. The non average allocation scheme of the buffer resource is studied. The buffer resource allocation algorithm MP (Multi-Path) and the buffer resource allocation algorithm (SP (Single-Path).MP algorithm for transmission delay performance constraints are proposed to optimize the communication load distribution to optimize the communication load distribution. The delay performance is the best and the buffer resource demand is least. The SP algorithm uses the single path transmission mode to transmit the delay performance as a constraint and minimizes the size of the buffer. Based on these two algorithms, the paper uses the queuing theory to establish the corresponding mathematical model of the buffer resource allocation problem, and uses the simulated annealing algorithm to carry out the buffer zone. Resource allocation. The effectiveness of the two methods is verified by multi group simulation experiments under uniform traffic and hot flow traffic. The experimental results show that after the reasonable allocation of the buffer resources through these two methods, the buffer benefits can be improved at the same time that the transmission delay performance is optimal or the transmission delay performance constraints are satisfied. In order to solve the problem of system reliability, transmission delay and energy consumption, and the excessive number of voltage islands will increase the complexity of the system, an integer linear programming (Integer Linear Program) is proposed. Ming, ILP) algorithm of voltage island division (ILP based Voltage Island Partition, ILPVIP). At the same time guaranteeing network performance index (delay and reliability, etc.), the voltage island division is completed to achieve the goal of optimizing the calculation of energy consumption in the NoC system. A multi group of application examples in the testing datum of E3S are synthetically evaluated by the embedded system, and the random basis is used. The test case and an example of a multimedia system are simulated to verify the effectiveness of the ILPVIP algorithm. The experimental results show that the maximum energy consumption of the ILPVIP algorithm can be reduced by 33.6% at the same time when the multiple constraints are satisfied. The problem of network congestion is easily caused by equilibrium, and the problem of NoC low energy path allocation based on voltage island is studied. A method of NoC path allocation based on voltage island (Genetic Algorithm based Routing, GAR) is proposed. It generates a certainty for each communication trace in the application while ensuring communication delay and network link load balancing. The shortest routing path with the smallest energy consumption. Through multiple application examples in the E3S test datum, random Basic test cases and a multimedia system example, the effectiveness of the method is verified. Compared with the existing VFI-aware and GLR algorithms, the GAR algorithm can save 21.7% of the energy consumption and 21.8% link bandwidth requirements.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN402

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本文編號：1916930