基于noc系統(tǒng)的高速低功耗互連技術(shù)分析

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1、基于NoC系統(tǒng)的高速低功耗互連技術(shù)研究圖1．2MESH型NoC結(jié)構(gòu)示意圖如圖1．2所示，典型的NoC系統(tǒng)由處理單元(Processorclement，PE)、路由器(Router)、網(wǎng)絡(luò)接口(NetworkInterface，NI)和鏈路(Link)四部分組成腳：(1)處理單元：負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。典型的處理單元可以是帶緩存的嵌入式微處理器和DSP核、專(zhuān)用硬件資源、可重構(gòu)硬件資源，或者是上述各種硬件的組合。(2)路由器：執(zhí)行通信任務(wù)，其核心是交換開(kāi)關(guān)(Switch)，包括仲裁器、縱橫交換電路、輸入緩沖器等。交換開(kāi)關(guān)的功能就是

2、將信息從它的輸入端口傳輸?shù)狡渲械囊粋€(gè)或多個(gè)輸出端口。路由器是NoC的關(guān)鍵部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)NoC功耗和延時(shí)有巨大的影響，決定著整個(gè)NoC的性能。(3)N絡(luò)接口：指處理單元和路由器之間的接口。只有配置了網(wǎng)絡(luò)接口的處理單元才能連接到網(wǎng)絡(luò)上與其他處理單元進(jìn)行通信。(4)鏈路：指處理單元和路由器之間、路由器和路由器之間的連線。I．1．2片上網(wǎng)絡(luò)解決的問(wèn)題針對(duì)總線結(jié)構(gòu)的諸多缺陷，研究者提出了許多措施來(lái)加以緩解，如使用多層總線提高總線可用帶寬，使用突發(fā)傳輸、分裂傳輸提高總線利用率等。由于總線結(jié)構(gòu)的固有缺陷，這些方法對(duì)系統(tǒng)性能的改

3、善有限。而NoC從根本上解決了總線結(jié)構(gòu)的缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面b】：首先，NoC系統(tǒng)中所有處理器通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，而不是局限在一條總線上，從而解決了多個(gè)處理器之間的互連問(wèn)題，理論上可以互連無(wú)限多個(gè)處理器，使得系統(tǒng)擴(kuò)展性得到加強(qiáng)。其次，每條網(wǎng)絡(luò)的鏈路較短，僅連接有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，這使得每條鏈路上的延時(shí)、功耗得以減小，信號(hào)完整性得到加強(qiáng)。第三，網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間的通信有多條路徑可以選擇，不同路徑間的通信互不影響，這大大提高了并行通信的能力，從而提高數(shù)據(jù)吞吐率。第一章緒論第四，使用全局異步局部同步(GloballyAsy

4、nchronousLocallySynchronous，GALS)通信機(jī)制，每一個(gè)處理單元都工作在自己的時(shí)鐘域，而不同的處理單元之間則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異步通信，很好地解決了總線結(jié)構(gòu)的單一時(shí)鐘同步問(wèn)題，從而徹底解決了龐大的時(shí)鐘樹(shù)所帶來(lái)的功耗和面積問(wèn)題。隨著工藝的發(fā)展，SoC技術(shù)將無(wú)法“追趕時(shí)代的步伐”了。NoC所表現(xiàn)出來(lái)的高帶寬、低功耗、可擴(kuò)展、并行通信方式、GALS運(yùn)行方式等特點(diǎn)，使其具有了總線結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，代表了將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。1．1．3片上網(wǎng)絡(luò)對(duì)互連提出的要求根據(jù)圖1．2所示的NoC拓?fù)?，路由器之間的長(zhǎng)互連線(即鏈路

5、)分布于整個(gè)芯片，其增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路由器的增加速度，表1．1給出了兩者的數(shù)量關(guān)系。雖然NoC縮短了長(zhǎng)互連線的長(zhǎng)度，從而減小了單根長(zhǎng)互連線路的延時(shí)和功耗，但急劇增加的互連線數(shù)量使得互連線消耗的總功耗非但沒(méi)有減小，反而可能變的更大。同時(shí)，工藝的繼續(xù)進(jìn)步、死區(qū)面積的增大和更快的時(shí)鐘速度，．使得延遲和功耗依舊是限制片上網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素。本文在這個(gè)背景下展開(kāi)了對(duì)NoC系統(tǒng)互連技術(shù)的研究，并得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，目的是實(shí)現(xiàn)高速低功耗片上數(shù)據(jù)傳輸。表1．1路由器數(shù)量與路由器間互連數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表n23456n路由器數(shù)量4

6、9162536n*n路由器間互連數(shù)量4122440602n幸(n·1)改善互連線延時(shí)和功耗的技術(shù)主要有總線屏蔽、總線重排、總線編碼、串行總線及低擺幅技術(shù)等幾種，本文選取目前較為流行的串行總線和低擺幅技術(shù)作為此次課題的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。1．2國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展低擺幅技術(shù)首先應(yīng)用于片間通信，常見(jiàn)有低電壓差分信-號(hào)(LVDS)。進(jìn)入深亞微米以后，總線消耗的能量越來(lái)越大，于是研究者試圖將各種低擺幅技術(shù)引入片上互連以降低總線功耗。2000年，VargheseGeorge等人分析了近十種單端低擺幅電路，并對(duì)延時(shí)、功耗、復(fù)雜度及噪聲等指標(biāo)進(jìn)

7、行了對(duì)比H1：2004年，ICangminLee等人成功的將差動(dòng)低擺幅電路運(yùn)用于NoC系統(tǒng)并進(jìn)行流片，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)工4基于NoC系統(tǒng)的高速低功耗互連技術(shù)研究作頻率可達(dá)1．6GHz，同時(shí)功耗僅為5lmW”1；2007年，NasserMasoumi等人設(shè)計(jì)了一種電流模驅(qū)動(dòng)器和接收器，同時(shí)采用隨機(jī)搜索算法SA(SimulatedAnnealing)對(duì)全局長(zhǎng)互連線的延時(shí)和功耗進(jìn)行優(yōu)化陽(yáng)1。串行總線出現(xiàn)的較晚，但由于它緩解了系統(tǒng)集成度與片上互連效率的矛盾，’一經(jīng)出現(xiàn)便迅速成為業(yè)界研究熱點(diǎn)。2005年，MagedGhoneima

8、等人對(duì)串行總線進(jìn)行了深入研究，分析了尺寸縮小對(duì)電阻率的影響，并對(duì)功耗和單位面積吞吐量進(jìn)行了建模分析，確定特定單位面積吞吐量下功耗最小的最佳復(fù)用度n1：2006年，他們又提出了兩種降低串行總線活動(dòng)因子的編碼方案，通過(guò)降低每根串行總線的活動(dòng)因子來(lái)減小耦合因子，以此實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸腳。國(guó)內(nèi)在集成電路互連方面