三維片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與容錯(cuò)機(jī)制研究.pdf

1、片上網(wǎng)絡(luò)是解決大規(guī)模片上系統(tǒng)復(fù)雜互聯(lián)問題的有效方案之一,由于具有高帶寬、低延時(shí)、易擴(kuò)展等特點(diǎn)受到學(xué)術(shù)界關(guān)注。傳統(tǒng)的二維片上網(wǎng)絡(luò)布局布線局限于平面,阻礙了系統(tǒng)性能和規(guī)模的提升,而三維片上網(wǎng)絡(luò)由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢可以突破這些限制。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三維片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟,對提高三維片上網(wǎng)絡(luò)通信性能有著非常重要的意義。同時(shí),隨著三維片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大和工作頻率的提升,系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率也在相應(yīng)提高,研究面向三維片上網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)機(jī)制是保證三維片上網(wǎng)絡(luò)

2、通信可靠性的重要手段。論文對三維片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和容錯(cuò)機(jī)制展開深入的研究,重點(diǎn)解決三維片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)評估方法、規(guī)則型和非規(guī)則型三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化、針對永久性故障和瞬時(shí)性故障的容錯(cuò)機(jī)制等關(guān)鍵問題。
　　論文首先研究了三維片上網(wǎng)絡(luò)中延時(shí)和功耗指標(biāo)的評估方法,建立了三維片上網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和功耗的評估模型,并結(jié)合改進(jìn)的三維片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡嫫脚_(tái),在分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上對性能參數(shù)進(jìn)行了仿真和分析,比較了目前三維片上網(wǎng)絡(luò)中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在吞

3、吐量、延時(shí)和功耗方面的性能。該評估方法和結(jié)果為之后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù),同時(shí)提供了性能評估基礎(chǔ)。
　　在規(guī)則型三維片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,提出一種稱為3D-Spidergon的規(guī)則三維拓?fù)湓图把訒r(shí)優(yōu)化的拓?fù)渖伤惴?通過建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和平均延時(shí)的關(guān)系,確定最小化延時(shí)條件下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)提出了一種針對該拓?fù)涞淖赃m應(yīng)路由算法,以縱向路由為優(yōu)先方向,通過自適應(yīng)尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的等效最短路徑,避免網(wǎng)絡(luò)擁塞,并提高了

4、網(wǎng)絡(luò)吞吐量。仿真結(jié)果表明,同等規(guī)模的3D-Spidergon與3D-Mesh相比,在網(wǎng)絡(luò)近似飽和的情況下,延時(shí)時(shí)間降低17％,吞吐量提高16.7%。
　　針對三維片上網(wǎng)絡(luò)垂直方向互連距離較短的特征,提出一種混合型三維NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在垂直方向,以一種基于偽令牌協(xié)議的總線結(jié)構(gòu),通過同步令牌更新方法提高總線利用率;在水平方向,以全連接網(wǎng)絡(luò)為設(shè)計(jì)原型,通過異構(gòu)的水平子層算法降低網(wǎng)絡(luò)直徑。同時(shí)提出一種防擁塞的自適應(yīng)路由算法,在總線

5、負(fù)載較高的情況下優(yōu)先通過水平子層尋找空閑總線,降低了垂直總線擁塞的可能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的混合型三維拓?fù)湓陔S機(jī)流量分布情況下,平均延時(shí)比3D-Mesh低34.4%,比長連接三維拓?fù)涞?3.1%,而功耗分別比3D-Mesh和長連接三維拓?fù)湎陆?3%和7%。在熱點(diǎn)分別流量情況下,延時(shí)比3D-Mesh低36.9%,比長連接三維拓?fù)涞?3.3%,功耗則分別下降48%和5%。
　　為避免三維片上網(wǎng)絡(luò)中永久性故障對系統(tǒng)功能的影響,提出

6、一種應(yīng)用于3D-Mesh網(wǎng)絡(luò)的無死鎖容錯(cuò)路由算法DPRA。首先針對3D-Mesh拓?fù)淙狈收蠀^(qū)域模型的問題,提出一種新的故障塊定義規(guī)則,減少了受故障節(jié)點(diǎn)影響的健康節(jié)點(diǎn)數(shù)目;在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種故障節(jié)點(diǎn)探測和繞道路徑生成算法,采用遞歸式消息傳遞實(shí)現(xiàn)故障塊區(qū)域的建立和繞道路徑列表的生成。在繞道容錯(cuò)路由算法DPRA中,采用部分路由表和路由規(guī)則相結(jié)合的方法引導(dǎo)報(bào)文繞過故障區(qū)域,提高了路由算法的執(zhí)行效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DPRA算法在保證數(shù)據(jù)到達(dá)率

7、的前提下,在節(jié)點(diǎn)故障率分別為2%,4%,6%,8%和10%的情況時(shí)平均延時(shí)分別比禁止轉(zhuǎn)彎模型路由算法減小9.7%,10.3%,13.3%,13.1%和13.4%,而功耗分別降低17.8%,19.6%,15.6%,9.6%和10.2%。
　　針對三維片上網(wǎng)絡(luò)中主要的瞬時(shí)故障來源串?dāng)_問題,提出一種以防串?dāng)_編碼為核心,聯(lián)合低功耗編碼和差錯(cuò)控制編碼的容錯(cuò)聯(lián)合編碼方案CAJC。通過基于斐波那切數(shù)列的防串?dāng)_編碼,抑制串?dāng)_對數(shù)據(jù)傳輸正確率的影響