【摘要】：隨著高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛發(fā)展,人們對芯片的計(jì)算能力要求越來越高,單核處理器在頻率和溫度上的瓶頸已經(jīng)日益凸顯,因此可在較低主頻下達(dá)到更高性能的多核處理器成為必然發(fā)展趨勢。但隨著單個(gè)芯片上集成的處理器核數(shù)目越來越多,片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip,NoC)由于電互連高時(shí)延、高能耗等缺點(diǎn)限制了未來多核處理器性能的進(jìn)一步提升。與CMOS工藝兼容的硅光技術(shù)不斷成熟和光互連所具有的低時(shí)延、高帶寬以及低能耗的特性使得光片上網(wǎng)絡(luò)(Optical Network on Chip,ONoC)成為新的研究熱點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的二維光片上網(wǎng)絡(luò)的波導(dǎo)交叉的數(shù)量、通信距離和芯片面積限制了光片上網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。三維集成技術(shù)通過將單層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬泳W(wǎng)絡(luò),有希望解決二維光片上網(wǎng)絡(luò)的問題。因此,三維光電混合網(wǎng)絡(luò)受到眾多研究者的青睞。本文總結(jié)了三維光電混合架構(gòu)的研究現(xiàn)狀,并對現(xiàn)有的一些問題給出了解決方案。首先,我們對光片上網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)制進(jìn)行了研究。在基于光電路交換的片上網(wǎng)絡(luò)中,建鏈分組在預(yù)約光路徑的過程中一旦發(fā)現(xiàn)輸出端口被占用,只能阻塞在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)等待端口釋放。而當(dāng)前被阻塞的分組又會(huì)進(jìn)一步阻塞其他分組,此情況極大的降低了鏈路的利用率并造成單一節(jié)點(diǎn)的阻塞迅速擴(kuò)散至網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn),從而降低了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和吞吐等性能。針對此問題,我們提出了稱作HTRM的通信方法,該方法結(jié)合預(yù)測建鏈分組在路由器需要等待的時(shí)間和該分組阻礙其他分組數(shù)目兩個(gè)指標(biāo)設(shè)定規(guī)則,并根據(jù)這些規(guī)則對建鏈分組進(jìn)行重傳,從而及時(shí)釋放預(yù)約的資源,提高鏈路利用率。仿真表明,對比傳統(tǒng)的通信方法,在合成流量模型下,HTRM的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延至少降低了40%,吞吐提高了30%;在科學(xué)應(yīng)用流量下,HTRM的加速比平均提升了5%。其次,我們對具有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的三維片上網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。性能良好的片上多核系統(tǒng)需要良好的架構(gòu)支持。雖然HTRM通信方法可以在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的性能,但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大后,還是無法解決通信過程的距離過長、時(shí)延過高、損耗過大等問題。為此,我們設(shè)計(jì)了低時(shí)延、低損耗三維光電混合片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——Venus。結(jié)合波長路由技術(shù)和三維集成技術(shù),確保了每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信距離只有一跳,且任何不同子網(wǎng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)了無阻塞通信,進(jìn)而降低了片上網(wǎng)絡(luò)的平均端到端通信時(shí)延。我們通過使用多個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)環(huán)與環(huán)之間的光網(wǎng)絡(luò)接口,減少了波導(dǎo)交叉數(shù)量和關(guān)鍵路徑上經(jīng)過微環(huán)的數(shù)量,降低了光信號損耗和串?dāng)_。仿真結(jié)果表明在千核規(guī)模下,所設(shè)計(jì)的三維光電混合片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與基于三維mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)相比,平均時(shí)延降低了75.3%,吞吐提高了77.9倍,最壞插入損耗減少了64.2%,與最先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比,平均時(shí)延和吞吐幾乎持平,最壞插入損耗減少40.1%。最后,我們對特殊應(yīng)用的三維片上網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。Venus在千核節(jié)點(diǎn)下都具有出色的性能。但是Venus也存在通用型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一些普遍性問題:第一,在多播流量中Venus的性能較差;第二,Venus的網(wǎng)絡(luò)帶寬分配較為均勻,在一些流量不對稱的應(yīng)用中,網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)變得較差。而近年來的研究熱點(diǎn)——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)中就會(huì)產(chǎn)生上述兩點(diǎn)流量特性。因此,我們提出了面向大規(guī)模卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維異構(gòu)混合片上網(wǎng)絡(luò)——CHNoC。采用光電混合互連,將帶寬需求不同的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層映射到不同的硬件層上,利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中流量不對稱性有針對性的設(shè)計(jì)分級互連方式,以此提高帶寬的利用率。
【圖文】：

2.1 光電路交換機(jī)制交換機(jī)制是網(wǎng)絡(luò)通信的重要組成部分，交換機(jī)制的選擇嚴(yán)重的影響到時(shí)延，吞吐等網(wǎng)絡(luò)性能，因此交換機(jī)制一直是研究熱點(diǎn)。光電路交換作為典型的交換機(jī)制在ONoC 中有著廣泛的應(yīng)用。光電路交換中采用“電控制光傳輸”的方式來完成通信請求。通過使用電控制網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)約物理鏈路的方式以保證數(shù)據(jù)分組在光網(wǎng)絡(luò)中的正確傳輸。傳統(tǒng)的光電路交換（Traditional Optical Circuit Switching，TOCS）機(jī)制的過程分為四個(gè)階段：首先，，源節(jié)點(diǎn)通過電控制網(wǎng)絡(luò)向目的節(jié)點(diǎn)地發(fā)送一個(gè)建鏈分組，該建鏈分組會(huì)預(yù)約沿途路徑的鏈路資源；其次，當(dāng)建鏈分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)地時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)確認(rèn)（Acknowledgement，ACK）分組，并將其通過建鏈分組所預(yù)約的路徑反向傳輸給源節(jié)點(diǎn)，通知源路徑被完全保留；然后，在源節(jié)點(diǎn)接收到 ACK 分組后，有效負(fù)載數(shù)據(jù)分組被發(fā)送到光網(wǎng)絡(luò)，有效負(fù)載數(shù)據(jù)包沿著建鏈分組預(yù)約的路徑傳輸；最后，在有效負(fù)載數(shù)據(jù)分組被傳輸后，拆鏈分組將通過電控制網(wǎng)絡(luò)從源發(fā)送到目的地，以釋放預(yù)留的鏈路資源。

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文個(gè)被阻塞的分組，圖 b）表示被阻塞的分組進(jìn)一步阻塞其他分組，圖 c）表示一組的阻塞慢慢造成全網(wǎng)阻塞。以上情況造成單一節(jié)點(diǎn)的阻塞擴(kuò)散至網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)大的降低了鏈路的利用率，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和吞吐等性能。為了解決上述問題，本章提出了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的通信方法（HTRM），該方法預(yù)測建鏈分組在路由器需要等待的時(shí)間和該分組阻礙其他分組數(shù)目兩個(gè)指標(biāo)設(shè)則，并根據(jù)這些規(guī)則對建鏈分組進(jìn)行重傳，從而及時(shí)釋放預(yù)約的資源，提高鏈用率。.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知的通信方法作為例子，我們在 2D Mesh 拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)我們設(shè)計(jì)的通信方法。如圖 2. 2 所示于 Mesh 的 ONoC 由重疊的兩層網(wǎng)絡(luò)組成，即電控制網(wǎng)絡(luò)和光傳輸網(wǎng)絡(luò)。電控制負(fù)責(zé)路徑預(yù)約和路由器配置，而光傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN47

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王宏偉;陸俊林;佟冬;程旭;;層次化的片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)網(wǎng)絡(luò)版(預(yù)印本);2007年01期

2 林世俊;蘇厲;金德鵬;曾烈光;;虛通道數(shù)和時(shí)鐘比率對片上網(wǎng)絡(luò)的影響[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)網(wǎng)絡(luò).預(yù)覽;2009年01期

3 李貞妮;李晶皎;王愛俠;鐘順達(dá);;片上網(wǎng)絡(luò)跨時(shí)鐘域的高速數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)[J];單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;2018年03期

4 劉小麗;郇志軒;曹政;孫凝暉;;片上網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)域網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)探索[J];高技術(shù)通訊;2018年02期

5 許川佩;凌景;胡聰;;動(dòng)態(tài)帶分復(fù)用的三維片上網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化研究[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2016年12期

6 胡偉;;片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J];黃山學(xué)院學(xué)報(bào);2010年05期

7 丁永文;劉建輝;;片上網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J];科技信息(學(xué)術(shù)研究);2007年31期

8 黃翠;張大坤;宋國治;;三維片上網(wǎng)絡(luò)映射算法研究綜述[J];小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng);2016年02期

9 宋國治;張大坤;涂遙;黃翠;王蓮蓮;;一種改進(jìn)的基于粒子群的三維片上網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局算法[J];計(jì)算機(jī)科學(xué);2015年07期

10 王佳文;李麗;潘紅兵;李偉;張榮;;基于統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用技術(shù)的三維片上網(wǎng)絡(luò)[J];電子與信息學(xué)報(bào);2012年10期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 付斌章;韓銀和;李華偉;李曉維;;面向高可靠片上網(wǎng)絡(luò)通信的低成本可重構(gòu)路由算法[A];第六屆中國測試學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

2 歐陽一鳴;劉蓓;齊蕓;;三維片上網(wǎng)絡(luò)測試的時(shí)間優(yōu)化方法[A];第六屆中國測試學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

3 曹輝;巨新剛;于飛;;面向在軌信息處理的多層次緊耦合處理器設(shè)計(jì)和應(yīng)用[A];航天電子軍民融合論壇暨第十四屆學(xué)術(shù)交流會(huì)優(yōu)秀論文集（2017年）[C];2017年

4 張哲;崔騫;高小鵬;龍翔;;面向多核平臺的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用建模[A];2007年全國開放式分布與并行計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊)[C];2007年

5 楊中明;李玉柏;;NOC功耗分析與建模[A];四川省電子學(xué)會(huì)半導(dǎo)體與集成技術(shù)專委會(huì)2006年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2006年

6 曹宇;胡文敏;;組播路由技術(shù)綜述[A];第十五屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會(huì)暨第一屆微處理器技術(shù)論壇論文集（A輯）[C];2011年

7 張穎;李華偉;李曉維;;采用SCAC和DICE觸發(fā)器的可靠片上網(wǎng)絡(luò)路由器[A];第六屆中國測試學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

8 歐陽一鳴;朱兵;梁華國;;一種用于片上網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由算法[A];全國第19屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用（CACIS）學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊）[C];2008年

9 薛文良;馬勝;許邦建;李晨;;面向GPGPU片上網(wǎng)絡(luò)的高效動(dòng)態(tài)虛通道劃分機(jī)制研究[A];第二十屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會(huì)暨第六屆微處理器技術(shù)論壇論文集[C];2016年

10 王琪;李思昆;;一種可信的大規(guī)模開關(guān)網(wǎng)絡(luò)功耗分析方法[A];第十九屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會(huì)暨第五屆微處理器技術(shù)論壇論文集[C];2015年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前3條

1 清華大學(xué)微處理器與SOC 技術(shù)研究中心 陳磊 王驚雷 李兆麟 汪東升;片上網(wǎng)絡(luò)：解決CMP互連瓶頸[N];計(jì)算機(jī)世界;2005年

2 ;英曼達(dá)增加在中國的投資[N];人民郵電;2006年

3 ST 提供;MPSoC時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)芯片技術(shù)[N];電子資訊時(shí)報(bào);2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 舒浩;區(qū)域集中全局分布式片上網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D];西安電子科技大學(xué);2016年

2 黃敬雷;動(dòng)態(tài)可重構(gòu)專用片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成算法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

3 趙建武;片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可測試性設(shè)計(jì)及測試技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2009年

4 荊元利;基于片上網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)芯片研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2005年

5 李磊;片上網(wǎng)絡(luò)NoC的通信研究[D];浙江大學(xué);2007年

6 張劍賢;高性能片上網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];西安電子科技大學(xué);2012年

7 姚磊;片上網(wǎng)絡(luò)無虛通道容錯(cuò)路由技術(shù)研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

8 劉有耀;片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與通信方法研究[D];西安電子科技大學(xué);2009年

9 王堅(jiān);片上網(wǎng)絡(luò)通信性能分析與優(yōu)化[D];電子科技大學(xué);2011年

10 全勵(lì);片上網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)分配與服務(wù)質(zhì)量研究[D];浙江大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張壬申;基于FPGA的片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究及路由算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];東北大學(xué);2015年

2 李志剛;可容錯(cuò)專用片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚C合的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

3 譚云飛;專用片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖膳c映射優(yōu)化算法研究[D];華南理工大學(xué);2018年

4 劉文杰;面向眾核協(xié)處理器的高效能GPGPU片上網(wǎng)絡(luò)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

5 楊劍峰;無線片上網(wǎng)絡(luò)中擁塞控制和低功耗設(shè)計(jì)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

6 姚永彤;面向空間環(huán)境的片上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性問題研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

7 張阿敏;基于片上網(wǎng)絡(luò)的眾核高速緩存一致性研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

8 李哲;WiNoC中擁塞感知及高效重傳容錯(cuò)技術(shù)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

9 薛文良;面向GPGPU的高效片上網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

10 孫亞東;片上網(wǎng)絡(luò)高效自適應(yīng)路由算法研究[D];西安電子科技大學(xué);2018年

本文編號：2693140