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3d noc动态温度管理方法优化与模拟研究

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3D NoC动态温度管理方法优化与模拟研究

作者：邹通国防科技大学

学位级别：硕士

随着半导体工艺尺寸的不断缩小,单芯片集成的晶体管数量越来越多。通过提高微处理器主频来提升其性能的方式已经不能满足应用对性能的需求,微处理器体系结构向多核和众核系统发展成为必然趋势。随着单芯片集成的微处理器核的数量越来越... 详细信息

随着半导体工艺尺寸的不断缩小,单芯片集成的晶体管数量越来越多。通过提高微处理器主频来提升其性能的方式已经不能满足应用对性能的需求,微处理器体系结构向多核和众核系统发展成为必然趋势。随着单芯片集成的微处理器核的数量越来越多,2d noc已经不能满足多核处理器核间通信的需求,3d noc由于其低延时和高带宽的优点成为了工业界和学术界的研究热点。由于三维堆叠导致各硅层之间的散热路径长度和散热效率存在很大差异,如何保证3d noc在温度可控的同时提供高性能成为亟待解决的问题,3d noc动态温度管理方法是解决该问题的有效方法。本文围绕主动式温度管理方法的温度预测方法和基于热点的3d noc路由算法进行了研究,主要研究内容和创新点如下:(1)剖析了Access Noxim模拟平台,理解模拟平台的各个组成部分,研究模拟平台的运行机制和实现原理,本文将基于此平台展开课题研究。(2)传统的反应式温度管理方法在出现温度过热之后才启动温度管理,由于温度获取和温度控制之间存在较长延时,容易对微处理器芯片造成永久伤害,为了能及时掌握系统温度状态,可以提前对系统温度进行预测。本文首先对三维系统等效导热模型进行了研究,然后对静态温度预测方法进行了优化,提出了每个采样周期都进行RC参数抽取的动态温度预测方法。实验显示,与静态方法单周期预测结果相比,虽然动态预测计算复杂度有所增加,但预测精度提高了92%。多周期温度预测实验中,预测单个节点的温度最大平均绝对误差约为0.009℃,预测2*2区域的温度最大平均绝对误差约为0.086℃,预测时效性较好。(3)为了更好的根据硅层的散热效率控制网络流量,本文提出了通过判断源节点到目的节点的层间距值来对网络中各硅层流量进行分配的ILdR路由算法。该算法可以根据不同的网络规模设置不同的层间距阈值,对网络流量的分配有很强的可控性。在Access Noxim模拟实验平台上对所提出的算法进行了实现,并与两种其他路由算法进行实验比较。实验结果显示,在发包率为0.025时,平均时延降低了50.59%?86.27%,吞吐量提高了9.23%?25.89%,有效提高了3d noc系统的网络性能。虽然总能量消耗增长了9.29%?34.04%,但能量延时积(EdP)下降了37.52%?81.41%,能量效率也更高。

关键词： 3d noc 主动式动态温度管理动态温度预测路由算法

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3d noc测试调度协同优化研究

3D NoC测试调度协同优化研究

作者：凌景桂林电子科技大学

学位级别：硕士

片上系统(System-on-Chip,SoC)总线结构在大规模并行计算时呈现出通信效率低、扩展性差、传输延时长、系统功耗高等问题,采用路由和分组交换技术的片上网络(Network-on-Chip,noc)应运而生,成为解决SoC瓶颈问题的有效途径。但随着半导体... 详细信息

片上系统(System-on-Chip,SoC)总线结构在大规模并行计算时呈现出通信效率低、扩展性差、传输延时长、系统功耗高等问题,采用路由和分组交换技术的片上网络(Network-on-Chip,noc)应运而生,成为解决SoC瓶颈问题的有效途径。但随着半导体集成技术的快速发展,noc技术受到平面结构的限制,一些学者提出将3d IC技术融合到noc中形成3d noc。3d noc集成IP核种类和数量的增加使得测试愈来愈重要,同时芯片集成复杂度的提高也使得测试愈来愈困难。如何实现高效的测试调度是目前3d noc测试发展中亟待解决的问题之一。本文在研究3d noc系统基本结构以及资源内核测试关键技术的基础上,采用带分复用实施动态带宽分配机制的3d noc并行测试方法,结合重用noc的测试访问机制,首先在总功耗和层功耗双重约束下,对带宽分配产生的多种调度顺序设计多种群云进化算法寻优精英种群,实施精英种群间的杂交自交和变异自交策略以提高种群多样性,协同开展测试规划和调度优化以获得最短测试时间。以ITC’02标准电路集作为实验对象实施仿真验证,与未实施动态带宽分配的测试结果进行对比,结果表明本文采用的方法和提出的算法能减小测试时间。同时,本文结合Pareto解集、云模型、杂交变异技术在TAM带宽约束下协同优化3d noc测试时的时间和功耗,对种群中的个体进行非支配排序,为所有个体赋予相应等级,去除极端和特征相似的个体,采用精英保留策略利用云模型对个体进行更新,利用杂交变异技术对个体进行突变,并对种群中的个体进行比较、淘汰、替换,迅速准确地寻优到Pareto最优解集。实验结果表明该方法能实现测试时间和功耗的协同优化,在实际应用时可根据需要选择不同的调度方案。

关键词： 3d noc 动态带宽分配多种群云进化算法精英种群协同优化

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3d noc温度管理方法

3D NoC温度管理方法

作者：海月国防科学技术大学

学位级别：硕士

集成电路的飞速发展使得单芯片上晶体管密度和工作频率变得越来越高,而多核技术的快速发展使得单芯片上集成的核的数目在日益增多,3d noc被视为高效的多核互联途径。随着晶体管密度和工作频率的变高,芯片的功耗和热量耗散的难题也越发... 详细信息

集成电路的飞速发展使得单芯片上晶体管密度和工作频率变得越来越高,而多核技术的快速发展使得单芯片上集成的核的数目在日益增多,3d noc被视为高效的多核互联途径。随着晶体管密度和工作频率的变高,芯片的功耗和热量耗散的难题也越发凸显。因此,3d noc温度管理方法已经成为学术界的研究热点。本文以8*8*4的3d noc为背景,利用网络节点的温度信息,研究了一种基于3d noc的温度预测方法,频率调节方法以及温度自适应路由方法,它们对3d noc的温度管理具有重要意义。本文的主要工作和创新点如下:1.提出了一种温度预测方法。根据3d noc的散热特点,应用传热学中的一维稳态热传导的原理,抽取计算出相应的导热参数R、C值,建立了其温度预测模型。该温度预测方法具有实施性强,操作简单,低开销,高精度的特点。实验结果表明,该温度预测方法最大的绝对误差值不超过0.15℃,而平均绝对误差只有0.08134℃。与其他温度预测方法相比,使平均绝对误差降低了45.77%。2.提出了一种柱状式的频率调节方法。为了充分利用3d noc的散热通路,将调节区域划分为柱状,当柱状区域内部节点温度超过频率调整预设值时,就降低该区域内所有节点的工作频率,防止温度过高而对芯片造成损坏。由于调整后网络节点处于不同的时钟,本文还设计了用于通信的异步FIFO。实验结果表明,进行频率调整前后的峰值温度差值最大为12.394℃,而性能只下降了2.21%。与同类频率调节方法相比,使峰值温度的下降数值提高了19.7%。3.提出了一种温度自适应的路由方法。该路由方法根据网络中源节点和目的节点的相对位置产生传输方向,再结合路由器的温度信息选择下一跳温度最低的方向。由于该方法是一种最短路径的路由方法,简化了无死锁的设计。实验结果表明,该方法能够最大限度的平均网络中每个路由器的温度和较低的网络延时,相对于相同条件下XYZ路由方法,平均温度下降了0.342℃,平均温度标准差下降了21.8%,网络平均延时下降了96%。4.在Access Noxim实验平台上实现了上述温度管理方法。首先研究分析了Access Noxim实验平台,在剖析其代码结构的基础上,设计并验证了上述温度预测方法、频率调整方法和温度自适应路由方法。通过观察实验平台运行的温度变化和开销数据,对比说明所提出方法的有效性。

关键词： 3d noc 温度预测频率调整温度自适应路由

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3d noc中TSV和交叉开关的容错设计

3D NoC中TSV和交叉开关的容错设计

作者：袁吴铃合肥工业大学

学位级别：硕士

随着集成电路制造工艺的发展，电子元器件特征尺寸的不断缩小，单个芯片上可以集成上百个IP核。当芯片上IP核数增多且同构模块和异构模块广泛结合以后，总线共享的传统片上系统的通讯架构将面临许多问题，如可扩展性问题、通讯效率问题... 详细信息

随着集成电路制造工艺的发展，电子元器件特征尺寸的不断缩小，单个芯片上可以集成上百个IP核。当芯片上IP核数增多且同构模块和异构模块广泛结合以后，总线共享的传统片上系统的通讯架构将面临许多问题，如可扩展性问题、通讯效率问题、功耗和面积等问题。为了解决这些问题，研究学者们提出了一种新的基于包交换机制的片上互连结构，即片上网络（Network-on-Chip,noc）。它较总线结构具有更好的可扩展性、可预见性和性能。但芯片上的互连线仍然是影响超大规模集成电路性能和功耗的瓶颈，二维封装技术不能满足芯片高密度组装的需求，这推动了三维立体封装技术的发展，将3d集成技术与noc有机结合，形成3d noc的架构，进一步提高系统的性能，降低功耗。本文基于Mesh型的3d noc架构展开研究，重点介绍了3d-Mesh noc片上通信的相关知识。并针对片上通信过程中硅通孔（Through Silicon Via，TSV）故障问题和TSV路由器延时大功耗高的问题，给出了相应的解决方案。论文的主要研究工作如下：（1）介绍了3d noc发展的背景和目的、研究的关键问题以及国内外的研究现状;除此之外，还介绍了基于Mesh型的3d noc结构、交换机制、容错技术和目前3d noc的研究热点等相关知识。（2）在3d noc中，连接层间相邻路由器的两组单向TSV发生故障，数据便不能经该通道传输。本文提出一种在基于簇的3d noc中添加双向TSV的容错设计。在这两组单向TSV间添加一组冗余的可动态配置的双向TSV，任何一组单向TSV故障，都可通过配置该双向TSV来替换故障TSV，继续传输数据，实现容错。无故障TSV时，也可配置该双向TSV来帮助传输数据包，实现数据的高速传输。实验结果表明，该设计大大减少了数据包传输延时，增强了系统可靠性。（3）针对TSV路由器延时大功耗高的问题，本文将TSV路由器设计成双交叉开关的架构，即主交叉开关（Master Crossbar）和从交叉开关（SlaveCrossbar）。TSV路由器的每个输入端口分成两个子端口，其中与Master Crossbar相连的端口无输入缓冲区，而与Slave Crossbar相连的端口设有输入缓冲区。数据传输优先选择Master Crossbar，当其忙时则选择Slave Crossbar，如此减少数据包的传输延时，降低功耗，同时双交叉开关还可以实现对交叉开关的容错。

关键词： 3d noc 容错冗余双向TSV 双交叉开关

基于多FPGA的3d noc动态可配置仿真平台研究与设计

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基于多FPGA的3D NoC动态可配置仿真平台研究与设计

作者：郑锦涛南京航空航天大学

学位级别：硕士

三维片上网络相比二维片上网络具有更好的网络通信性能,其体系结构与设计方法也更加复杂,为灵活、准确、高效地对3d noc进行仿真,构建一个基于多FPGA的3d noc动态可配置仿真平台具有非常重要的意义。论文首先研究了3d noc的体系结构特... 详细信息

三维片上网络相比二维片上网络具有更好的网络通信性能,其体系结构与设计方法也更加复杂,为灵活、准确、高效地对3d noc进行仿真,构建一个基于多FPGA的3d noc动态可配置仿真平台具有非常重要的意义。论文首先研究了3d noc的体系结构特征与性能评价指标,提出了一种模块化与参数化的3d noc系统建模方案,采用拓扑结构、路由结构、路由算法、通信链路与流量模型等5类参数对3d noc的资源节点、路由节点、网络接口与通信链路等4个功能模块进行建模。针对现有多数仿真平台存在的配置不够灵活或者评估效率低等缺点,设计了基于多FPGA的3d noc动态可配置仿真平台RcEF3Ns。该平台将3d noc的水平层和垂直层分别构建于单独的FPGA,并在FPGA中设计了具有多种参数可配置的基本单元R-Cell与拓扑结构交叉矩阵TCM,可通过上位机图形化配置软件实现3d No C的重构设计,并在dNV6F6PCIe开发板上进行仿真。RcEF3Ns仿真平台具有配置灵活、周期级精确、可拓展性和可伸缩性强等特点,评估效率比同类硬件仿真平台提升10倍以上。在对3d noc建模与仿真的基础上,提出了一种热/流感知的高性能3d noc设计方法,将混合型3d noc的垂直总线设计成频率动态可调的dFSB总线,并通过垂直总线动态调频策略TFSP与温度热点感知自适应路由策略HAAR协同进行散热管理,两种策略分别从时间与空间上对通信流量的分布进行引导,使混合型3d noc系统达到热/流均衡。该散热管理方案在满足散热性能要求下,可提高吞吐率24.5%,降低网络延时33.1%。

关键词： 3d noc 动态可配置 FPGA 仿真平台热/流感知

基于改进遗传算法的3d noc低功耗映射方法研究

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基于改进遗传算法的3D NoC低功耗映射方法研究

作者：何寒娜合肥工业大学

学位级别：硕士

随着纳米技术与超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI)技术的飞速发展,如何将数量众多的IP核集成到单个芯片内将成为片上系统(Systemon-Chip,SoC)的难题。片上网络(Network-on-Chip,noc)架构的提出,从体系结构上彻底地... 详细信息

随着纳米技术与超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI)技术的飞速发展,如何将数量众多的IP核集成到单个芯片内将成为片上系统(Systemon-Chip,SoC)的难题。片上网络(Network-on-Chip,noc)架构的提出,从体系结构上彻底地解决了SoC所面临的这一问题。随着IP核数量的急速增加,2d noc开始面临着芯片面积、性能、带宽及功耗等一系列的问题。因此,3d noc的概念被提出。3d noc将多个具有2d结构的noc芯片用3d封装的方式封装成一个芯片,芯片之间主要依靠硅通孔技术(Through Silicon Via,TSV)互连。与2d noc相比,其具有更小的面积,更短的延迟,在系统性能与功耗方面均获得了极大的改善与提升。功耗优化是noc设计的重要部分,本文以功耗优化为主要目标,针对如何将IP(Intellectual Property)核合理映射到3d noc的问题,提出了一种改进初始种群的混合模拟退火遗传映射算法。首先,通过对初始种群选取方法进行改进来获取功耗更低的映射方案;其次,针对其选择方式的随机性,提出了一种改进的轮盘赌选择方法,通过对轮盘赌选择的改进,使得选择最优个体的可能性达到最大;最后,针对遗传算法局部最优问题,在遗传算法交叉操作阶段结合模拟退火算法,得到全局最优方案。实验在Windows系统下采用C++语言实现,结果显示,与传统的遗传算法相比,该算法具有较好的收敛性,能快速搜索到较优解,在核数量众多(124个IP核)的情况下,采用改进的模拟退火遗传算法进行映射产生的平均功耗比使用遗传算法时降低了32.0%。

关键词： 3d noc 低功耗映射算法遗传算法模拟退火算法

面向散热管理的3d noc路由单元设计及路由算法研究

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面向散热管理的3D NoC路由单元设计及路由算法研究

作者：武治平南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着集成电路工艺的不断发展与三维片上网络芯片集成密度的不断提高,不可避免地带来了片上网络芯片的散热问题。片上网络的路由单元结构和路由算法是影响3d noc散热性能的关键因素,因此,研究路由单元和路由算法对解决3d noc的散热问题... 详细信息

随着集成电路工艺的不断发展与三维片上网络芯片集成密度的不断提高,不可避免地带来了片上网络芯片的散热问题。片上网络的路由单元结构和路由算法是影响3d noc散热性能的关键因素,因此,研究路由单元和路由算法对解决3d noc的散热问题尤为重要。论文首先研究了3d noc的散热问题,分析了一般3d noc路由算法在散热性能上的差异,确立了具有实时感知特性的温度传感器与面向散热的路由算法实现方案。温度的实时感知是研究散热需要解决的首要问题,论文通过分析3d noc路由单元结构,构建了路由单元的温度模型。并以此为基础对路由单元结构进行改造,设计了基于RTL级模型的路由单元温度传感器,在Modelsim中对其进行温度感知性能仿真分析,验证了温度传感器的精度。针对流量与温度信息需要在网络中共享的问题,论文研究了一种基于路径的Copy-Modify多播路由算法,在路由单元中增加热/流信息交互模块,并以此设计了基于热/流信息交互的通信机制。针对3d noc散热问题,以温度传感器和通信机制为基础,提出了一种面向散热的阶段式协同路由算法。该算法融合区域回避路由和流量均衡路由,依据当前网络温度和流量状况切换路由策略。同时,建立了3d Mesh结构的仿真验证模型,验证了路由算法在实现散热和流量均衡方面的性能。论文所设计温度传感器与HotSpot的仿真结果相比,平均误差为3.34%,较为精确的实现了实时温度感知。提出的面向散热的路由算法,在不影响3d noc网络延时和吞吐率的情况下,相比区域回避路由以及垂直向下路由在散热和流量均衡性能方面分别提升了34.67%和14.85%,实现了在散热的同时兼顾流量均衡性能。

关键词： 3d noc 温度传感器热/流信息路由算法

基于3d noc架构上的自适应路由算法设计与仿真

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江汉大学学报（自然科学版） 2021年第1期49卷 48-56页

作者：苏新程军刘俞马鞍山职业技术学院电子信息系安徽马鞍山243011 巢湖学院信息工程学院安徽合肥238000

提出了一种3d Mesh结构上的自适应路由算法,一方面避免了维序算法先沿某个方向走完再转向的缺点,实现数据包从多个方向分流,避免在后续节点拥堵;另一方面基于贪心算法思想,选出跳数最小的数据包和需求程度最低的输出端口,做到局部最优... 详细信息

提出了一种3d Mesh结构上的自适应路由算法,一方面避免了维序算法先沿某个方向走完再转向的缺点,实现数据包从多个方向分流,避免在后续节点拥堵;另一方面基于贪心算法思想,选出跳数最小的数据包和需求程度最低的输出端口,做到局部最优。仿真结果显示,在均匀流量模式下,相对于dOR算法,本算法吞吐量更高,平均端到端时延更低。

关键词： 3d noc 路由算法优先级自适应

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基于RC参数的3d noc温度预测方法

基于RC参数的3D NoC温度预测方法