片上網(wǎng)絡低功耗設計方法研究.pdf

1、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

2、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

3、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)

4、，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

5、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

6、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

7、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