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

【摘要】：片上網(wǎng)絡(Network on Chip,NoC)具有可重用可擴展以及支持并發(fā)通信等特點,已經(jīng)成為大規(guī)模片上系統(tǒng)SoC設計中解決全局互連與通信問題的有效方案之一。由于基于NoC通信架構的SoC系統(tǒng)規(guī)模巨大,隨著半導體器件特征尺寸的縮小,功耗幾乎是系統(tǒng)設計中最重要的約束,功耗的增加會導致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此在NoC研究內容中,低功耗設計技術的研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本文針對NoC通信架構的SoC系統(tǒng)中功耗的主要來源部分:通信節(jié)點通信功耗以及資源節(jié)點計算功耗,在系統(tǒng)級與體系結構級層次上,進行低功耗設計方法研究。重點解決了NoC路由節(jié)點中虛通道與緩沖區(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路徑分配等關鍵問題,以指導片上網(wǎng)絡低功耗設計方法學的研究。本文主要創(chuàng)新點如下:針對片上網(wǎng)絡中虛通道資源平均分配所導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)格結構片上網(wǎng)絡通信數(shù)學模型的基礎上,以傳輸延時性能為約束條件對虛通道資源進行合理分配,通過提高虛通道利用率來減少其數(shù)目,達到最小化路由節(jié)點功耗開銷的目標。采用均勻流量及熱點流量通信方式下的多組仿真實驗,驗證了SAVCA算法的有效性。實驗結果表明,在保證傳輸延時性能的同時,經(jīng)過SAVCA算法對虛通道資源進行合理分配后,可有效減少虛通道總數(shù),最高可降低29.9%的路由節(jié)點功耗。針對NoC路由節(jié)點中緩沖區(qū)資源平均分配導致其利用率較低或傳輸延時較長等缺點,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性能優(yōu)化的緩沖區(qū)資源分配算法MP(Multi-Path)和傳輸延時性能約束的緩沖區(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)化通信負載分布,達到傳輸延時性能最優(yōu),緩沖區(qū)資源需求最少;SP算法采用單路徑傳輸方式,以傳輸延時性能為約束條件,最小化緩沖區(qū)大小�；谶@兩種算法,論文運用排隊論理論建立了相應的緩沖區(qū)資源分配問題數(shù)學模型,并采用模擬退火算法進行緩沖區(qū)資源分配。通過均勻流量和熱點流量通信方式下的多組仿真實驗,驗證了兩種方法的有效性。實驗結果表明,經(jīng)過這兩種方法對緩沖區(qū)資源進行合理分配后,可在傳輸延時性能最優(yōu)或者滿足傳輸延時性能約束條件的同時,提高緩沖區(qū)利用率,最小化緩沖區(qū)大小,達到優(yōu)化路由節(jié)點功耗的目標。為解決因為電壓島的劃分結果會影響系統(tǒng)可靠性、傳輸延時以及能耗等性能指標,并且電壓島數(shù)目過多會增加系統(tǒng)復雜性等問題,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)絡性能指標(延時和可靠性等)的同時,完成了電壓島劃分,達到優(yōu)化NoC系統(tǒng)中計算能耗的目標。通過嵌入式系統(tǒng)綜合評測E3S測試基準中的多組應用實例、隨機基礎測試用例以及一個多媒體系統(tǒng)實例進行仿真實驗,驗證了ILPVIP算法的有效性。實驗結果表明,在滿足多重約束條件的同時,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)傳輸延時和通信能耗、網(wǎng)絡鏈路負載不均衡易造成網(wǎng)絡擁塞等問題,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)。在保證通信延時和網(wǎng)絡鏈路負載均衡的同時,為應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測試基準中的多組應用實例、隨機基礎測試用例以及一個多媒體系統(tǒng)實例進行仿真實驗,驗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.
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN402

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 楊敏華;谷建華;周興社;;片上網(wǎng)絡[J];微處理機;2006年05期

2 鞠宏浩;顧華璽;尹小杰;;片上網(wǎng)絡中服務質量的研究[J];計算機與現(xiàn)代化;2009年04期

3 劉炎華;劉靜;賴宗聲;;片上網(wǎng)絡:新一代的片上系統(tǒng)結構[J];電子與封裝;2011年05期

4 唐名華;;兩種綜合流量模式對片上網(wǎng)絡性能影響分析[J];廣東石油化工學院學報;2011年04期

5 韋良芬;王勇;;片上網(wǎng)絡系統(tǒng)設計分析[J];吉首大學學報(自然科學版);2012年03期

6 王宏偉;陸俊林;佟冬;程旭;;層次化片上網(wǎng)絡結構的簇生成算法[J];電子學報;2007年05期

7 付方發(fā);張慶利;王進祥;喻明艷;孫玉峰;;支持多種流量分布的片上網(wǎng)絡性能評估技術研究[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;2007年05期

8 王宏偉;陸俊林;佟冬;程旭;;層次化的片上網(wǎng)絡設計方法[J];北京大學學報(自然科學版);2007年05期

9 丁永文;劉建輝;;片上網(wǎng)絡體系結構設計分析[J];科技信息(學術研究);2007年31期

10 周干民;;片上網(wǎng)絡:下一代技術[J];商業(yè)文化(學術版);2007年06期

相關會議論文 前10條

1 白原;鄭焱;王紅;楊士元;;不規(guī)則結構片上網(wǎng)絡的測試方法研究[A];第六屆中國測試學術會議論文集[C];2010年

2 王祺;吳寧;葛芬;;片上網(wǎng)絡仿真與性能評估[A];全國第19屆計算機技術與應用（CACIS）學術會議論文集（上冊）[C];2008年

3 景乃鋒;毛志剛;;面向片上網(wǎng)絡的集成電路設計技術[A];第十屆中國科協(xié)年會信息化與社會發(fā)展學術討論會分會場論文集[C];2008年

4 付斌章;韓銀和;李華偉;李曉維;;面向高可靠片上網(wǎng)絡通信的低成本可重構路由算法[A];第六屆中國測試學術會議論文集[C];2010年

5 齊樹波;蔣江;李晉文;張民選;;面向片上網(wǎng)絡的多播吞吐率和能量模型[A];第十五屆計算機工程與工藝年會暨第一屆微處理器技術論壇論文集（B輯）[C];2011年

6 張熙敏;李晉文;肖立權;;基于逃逸通道的片上網(wǎng)絡擁塞緩解技術[A];第十六屆計算機工程與工藝年會暨第二屆微處理器技術論壇論文集[C];2012年

7 歐陽一鳴;朱兵;梁華國;;一種用于片上網(wǎng)絡的自適應路由算法[A];全國第19屆計算機技術與應用（CACIS）學術會議論文集（上冊）[C];2008年

8 蘇琦;李玉柏;王堅;;用OPNET實現(xiàn)片上網(wǎng)絡仿真[A];2008年中國西部青年通信學術會議論文集[C];2008年

9 歐陽一鳴;劉蓓;齊蕓;;三維片上網(wǎng)絡測試的時間優(yōu)化方法[A];第六屆中國測試學術會議論文集[C];2010年

10 彭�；�;尤志強;鄺繼順;張大方;;一種基于BFT型拓撲結構片上網(wǎng)絡低費用測試方法[A];第六屆中國測試學術會議論文集[C];2010年

相關重要報紙文章 前1條

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

相關博士學位論文 前10條

1 王堅;片上網(wǎng)絡通信性能分析與優(yōu)化[D];電子科技大學;2011年

2 樂千榿;基于智能算法的片上網(wǎng)絡布局優(yōu)化研究[D];電子科技大學;2014年

3 秦明偉;片上網(wǎng)絡（NoC）業(yè)務量建模方法及應用研究[D];電子科技大學;2015年

4 周芳;片上網(wǎng)絡低功耗設計方法研究[D];南京航空航天大學;2015年

5 馬立偉;專用片上網(wǎng)絡設計方法：通信建模、拓撲構造與自動生成[D];清華大學;2006年

6 趙建武;片上網(wǎng)絡系統(tǒng)可測試性設計及測試技術研究[D];電子科技大學;2009年

7 王煒;面向大規(guī)模片上多處理器的片上網(wǎng)絡關鍵技術研究[D];清華大學;2010年

8 管旭光;異步片上網(wǎng)絡的關鍵技術研究[D];西安電子科技大學;2011年

9 劉浩;低延遲無緩存?zhèn)鬏斉c控制分離的片上網(wǎng)絡拓撲結構研究[D];華中科技大學;2009年

10 劉有耀;片上網(wǎng)絡拓撲結構與通信方法研究[D];西安電子科技大學;2009年

相關碩士學位論文 前10條

1 王曉袁;片上網(wǎng)絡系統(tǒng)模型[D];西安電子科技大學;2008年

2 付方發(fā);片上網(wǎng)絡性能評估平臺設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

3 王祺;基于應用的片上網(wǎng)絡設計與性能評估[D];南京航空航天大學;2009年

4 劉華;片上網(wǎng)絡多播通信關鍵技術研究[D];武漢理工大學;2011年

5 李慧;光片上網(wǎng)絡的可靠性研究[D];西安電子科技大學;2013年

6 易恒柱;面向神經(jīng)元動作電位分類的片上系統(tǒng)任務映射的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

7 李盛楠;基于Spike sorting的NoC-based CMP的研究與實現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

8 蔣珊珊;片上網(wǎng)絡感知故障容錯路由算法研究[D];電子科技大學;2015年

9 劉躍;2D Mesh片上網(wǎng)絡容錯路由算法設計與研究[D];電子科技大學;2014年

10 俞劍明;容偏差百核片上網(wǎng)絡設計與多核粒度建模[D];復旦大學;2014年

，

本文編號：1916930