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)，其核心是交換開關(guān)(Switch)，包括仲裁器、縱橫交換電路、輸入緩沖器等。交換開關(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€或多個輸出端口。路由器是NoC的關(guān)鍵部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計對NoC功耗和延時有巨大的影響，決定著整個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)解決的問題針對總線結(jié)構(gòu)的諸多缺陷，研究者提出了許多措施來加以緩解，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)在以下幾個方面b】：首先，NoC系統(tǒng)中所有處理器通過一個網(wǎng)絡(luò)連接起來，而不是局限在一條總線上，從而解決了多個處理器之間的互連問題，理論上可以互連無限多個處理器，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、功耗得以減小，信號完整性得到加強(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，每一個處理單元都工作在自己的時鐘域，而不同的處理單元之間則通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異步通信，很好地解決了總線結(jié)構(gòu)的單一時鐘同步問題，從而徹底解決了龐大的時鐘樹所帶來的功耗和面積問題。隨著工藝的發(fā)展，SoC技術(shù)將無法“追趕時代的步伐”了。NoC所表現(xiàn)出來的高帶寬、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)無法比擬的優(yōu)勢，代表了將來的發(fā)展趨勢。1．1．3片上網(wǎng)絡(luò)對互連提出的要求根據(jù)圖1．2所示的NoC拓?fù)洌酚善髦g的長互連線(即鏈路

5、)分布于整個芯片，其增長速度遠(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縮短了長互連線的長度，從而減小了單根長互連線路的延時和功耗，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有減小，反而可能變的更大。同時，工藝的繼續(xù)進(jìn)步、死區(qū)面積的增大和更快的時鐘速度，．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。本文在這個背景下展開了對NoC系統(tǒng)互連技術(shù)的研究，并得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持，目的是實現(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)研究內(nèi)容。1．2國內(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，常見有低電壓差分信-號(LVDS)。進(jìn)入深亞微米以后，總線消耗的能量越來越大，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，并對延時、功耗、復(fù)雜度及噪聲等指標(biāo)進(jìn)

7、行了對比H1：2004年，ICangminLee等人成功的將差動低擺幅電路運(yùn)用于NoC系統(tǒng)并進(jìn)行流片，測試結(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，同時功耗僅為5lmW”1；2007年，NasserMasoumi等人設(shè)計了一種電流模驅(qū)動器和接收器，同時采用隨機(jī)搜索算法SA(SimulatedAnnealing)對全局長互連線的延時和功耗進(jìn)行優(yōu)化陽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、等人對串行總線進(jìn)行了深入研究，分析了尺寸縮小對電阻率的影響，并對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因子的編碼方案，通過降低每根串行總線的活動因子來減小耦合因子，以此實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸腳。國內(nèi)在集成電路互連方面