硅通孔负载全局均衡的3D NoC延迟上界优化方法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｒｏｕｇｈｓｉｌｉｃｏｎｖｉａｓ（ＴＳＶ）ｉｎｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｅｔｗｏｒｋｏｎ ｃｈｉｐ（３Ｄ ＮｏＣ），ａｄｅｌａｙｂｏｕｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒ３ＤＮｏＣｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｄｅｌａｙｂｏｕｎｄｏｆ ｔｈｅｇｌｏｂａｌｂｕｓｉｎｅｓｓｆｌｏｗｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙｂａｌａｎｃｉｎｇａｇｌｏｂａｌｔｒａｆｆｉｃｌｏａｄｏｆＴＳＶ．Ｔｈｅｍｅｓｈｃｏｍｍｕｎｉ ｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆ３Ｄ ＮｏＣ ｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｌｅｐａｔｈｓｏｆａｌｌｆｌｏｗｓｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｗｅｒｅ ｓｅａｒｃｈｅｄ．Ａ ｄｅｇｒｅｅｂａｓｅｄｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅＴＳＶ ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｉｎｄｅｘｃｏ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｔａｒｇｅｔｆｌｏｗ ｗａｓａｓｓｉｇｎｅｄｔｏｔｈｅｐａｒｔｉａｌｏｐｔｉｍａｌｐａｔｈｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｚｅｏｆ ＴＳＶｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｇｒｅｅｂａｓｅｄｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｃａｎｅｆ ｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｓｐａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｉｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ Ｏ（ｎ２）ｔｏＯ（ｎ）．Ｉｔ ｃａｎｃｌｅａｒｌｙａｎｄｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙｅｘｈｉｂｉｔｔｈｅｃｏｎｆｌｉｃｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｕｓｉｎｅｓｓｆｌｏｗｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ．Ｗｉｔｈｔｈｅ ｄｅｌａｙｂｏｕｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒ３ＤＮｏＣｗｉｔｈｇｌｏｂａｌｌｏａｄｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆＴＳＶ，ｔｈｅｄｅｌａｙｂｏｕｎｄｏｆ ｔｈｅｔａｒｇｅｔｆｌｏｗｉｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｌａｙｅｄ ｕｐｐｅｒｂｏｕｎｄｂｙ５８．９％． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎｅｔｗｏｒｋｏｎｃｈｉｐ（３Ｄ ＮｏＣ）；ｄｅｌａｙｂｏｕｎｄ；ｇｌｏｂａｌｌｏａｄｂａｌａｎｃｉｎｇ；
ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｍａｔｒｉｘ
三维集成技术日渐成熟，以它为基础的三维片 上网络（３ＤＮｏＣ）成为片上网络领域研究中的主要
方向［１２］．与二维片上网络（ＮｏＣ）相比，３Ｄ ＮｏＣ具 有全局互连短、封装密度高、体积小等优势，在降低
收稿日期：２０１７０８１４． 作者简介：王晓蕾（１９７８—），女，硕士，副教授，ｗａｎｇｘｉａｏｌｅｉ＠ｈｆｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１４７４０３６）． 引用本文：王晓蕾，胡巧，杜高明，等．硅通孔负载全局均衡的 ３Ｄ ＮｏＣ延迟上界优化方法［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０１８，４８（２）：
硅通孔负载全局均衡的 ３ＤＮｏＣ 延迟上界优化方法
王晓蕾 胡 巧 杜高明 张多利 欧阳一鸣
（合肥工业大学微电子设计研究所，合肥 ２３０００９） （合肥工业大学教育部 ＩＣ设计网上合作研究中心，合肥 ２３０００９）
摘要：针对三维片上网络（３ＤＮｏＣ）中硅通孔（ＴＳＶ）的特殊结构，提出了一种 ３ＤＮｏＣ延迟上界 优化方法，通过全局均衡硅通孔负载，降低全局业务流的延迟上界．建立 ３Ｄ ＮｏＣ的网格通信模 型，搜索网络中所有业务流的可行路径，提出一种基于度的冲突矩阵，求出目标子流路径的 ＴＳＶ 冲突系数，按照路径中 ＴＳＶ冲突系数的大小把目标流流量分配到部分最优路径上．实验结果表 明，基于度的冲突矩阵可以有效减少存储空间，将存储复杂度从 Ｏ（ｎ２）降低到 Ｏ（ｎ），并且可以 清晰直观地表现出业务流在网络中的冲突情况．采用硅通孔负载全局均衡的 ３Ｄ ＮｏＣ延迟上界 优化方法，目标业务流的延迟上界得到了显著优化，最大的优化效果可将延迟上界降低 ５８．９％． 关键词：三维片上网络；延迟上界；负载全局均衡；冲突矩阵 中图分类号：ＴＰ３０１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０１８）０２０２７００６
第 ４８卷第 ２期 ２０１８年 ３月
东 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１８．０２．０１３
Ｖｏｌ．４８ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２０１８
２７０ ２７５．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１８．０２．０１３．
第 ２期
王晓蕾，等：硅通孔负载全局均衡的 ３ＤＮｏＣ延迟上界优化方法
２７１
芯片功耗的同时提高了网络的平Fra bibliotek通信性能［３］． 对于 ＮｏＣ上的实时应用而言，不仅需要保证
其平均通信性能，而且需要保证最差情形（如网络 拥塞时）下 的 通 信 性 能．但 由 于 穷 举、仿 真 等 方 法 耗时耗力，且无法得到有效延迟上界，因此片上网 络延迟上界研究成为 ＮｏＣ研究中的难点之一．李 洋［４］针对不 同 业 务，在 确 保 网 络 服 务 质 量 的 基 础 上分 析 优 化 了 网 络 的 通 信 延 迟．Ａｈｍｅｄ等 ［５］提 出 了一种新型的 ＬＡＸＹＺ路由算法．虞潇等［６］提出了 一种面向功耗的免死锁三维全动态 ３Ｄ ＮｏＣ路由 算法，通过引入三维空间中 ６个方向的功耗比较， 实现三维全动态路由功能，大大降低了整个系统的 功耗．上述 文 献 通 过 改 进 路 由 算 法 来 优 化 通 讯 延 迟、吞吐量和功耗等，取得了较好的效果，但是其考 虑的延迟为平均延迟，而在很多领域，最差性能时 延才是产品性能和可靠性的关键保障．
Ｄｅｌａｙｂｏｕｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒ３Ｄ ＮｏＣ ｗｉｔｈｇｌｏｂａｌｌｏａｄｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆＴＳＶ
ＷａｎｇＸｉａｏｌｅｉ ＨｕＱｉａｏ ＤｕＧａｏｍｉｎｇ ＺｈａｎｇＤｕｏｌｉ ＯｕｙａｎｇＹｉｍｉｎｇ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＶＬＳＩＤｅｓｉｇｎ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） （ＩＣＤｅｓｉｇｎＷｅｂＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＨｅｉｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｍａｔｒｉｘ
三维集成技术日渐成熟，以它为基础的三维片 上网络（３ＤＮｏＣ）成为片上网络领域研究中的主要
方向［１２］．与二维片上网络（ＮｏＣ）相比，３Ｄ ＮｏＣ具 有全局互连短、封装密度高、体积小等优势，在降低
收稿日期：２０１７０８１４． 作者简介：王晓蕾（１９７８—），女，硕士，副教授，ｗａｎｇｘｉａｏｌｅｉ＠ｈｆｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１４７４０３６）． 引用本文：王晓蕾，胡巧，杜高明，等．硅通孔负载全局均衡的 ３Ｄ ＮｏＣ延迟上界优化方法［Ｊ］．东南大学学报（自然科学版），２０１８，４８（２）：
硅通孔负载全局均衡的 ３ＤＮｏＣ 延迟上界优化方法
王晓蕾 胡 巧 杜高明 张多利 欧阳一鸣
（合肥工业大学微电子设计研究所，合肥 ２３０００９） （合肥工业大学教育部 ＩＣ设计网上合作研究中心，合肥 ２３０００９）
摘要：针对三维片上网络（３ＤＮｏＣ）中硅通孔（ＴＳＶ）的特殊结构，提出了一种 ３ＤＮｏＣ延迟上界 优化方法，通过全局均衡硅通孔负载，降低全局业务流的延迟上界．建立 ３Ｄ ＮｏＣ的网格通信模 型，搜索网络中所有业务流的可行路径，提出一种基于度的冲突矩阵，求出目标子流路径的 ＴＳＶ 冲突系数，按照路径中 ＴＳＶ冲突系数的大小把目标流流量分配到部分最优路径上．实验结果表 明，基于度的冲突矩阵可以有效减少存储空间，将存储复杂度从 Ｏ（ｎ２）降低到 Ｏ（ｎ），并且可以 清晰直观地表现出业务流在网络中的冲突情况．采用硅通孔负载全局均衡的 ３Ｄ ＮｏＣ延迟上界 优化方法，目标业务流的延迟上界得到了显著优化，最大的优化效果可将延迟上界降低 ５８．９％． 关键词：三维片上网络；延迟上界；负载全局均衡；冲突矩阵 中图分类号：ＴＰ３０１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０１８）０２０２７００６
第 ４８卷第 ２期 ２０１８年 ３月
东 南 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１８．０２．０１３
Ｖｏｌ．４８ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２０１８
２７０ ２７５．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１８．０２．０１３．
第 ２期
王晓蕾，等：硅通孔负载全局均衡的 ３ＤＮｏＣ延迟上界优化方法
２７１
芯片功耗的同时提高了网络的平Fra bibliotek通信性能［３］． 对于 ＮｏＣ上的实时应用而言，不仅需要保证
其平均通信性能，而且需要保证最差情形（如网络 拥塞时）下 的 通 信 性 能．但 由 于 穷 举、仿 真 等 方 法 耗时耗力，且无法得到有效延迟上界，因此片上网 络延迟上界研究成为 ＮｏＣ研究中的难点之一．李 洋［４］针对不 同 业 务，在 确 保 网 络 服 务 质 量 的 基 础 上分 析 优 化 了 网 络 的 通 信 延 迟．Ａｈｍｅｄ等 ［５］提 出 了一种新型的 ＬＡＸＹＺ路由算法．虞潇等［６］提出了 一种面向功耗的免死锁三维全动态 ３Ｄ ＮｏＣ路由 算法，通过引入三维空间中 ６个方向的功耗比较， 实现三维全动态路由功能，大大降低了整个系统的 功耗．上述 文 献 通 过 改 进 路 由 算 法 来 优 化 通 讯 延 迟、吞吐量和功耗等，取得了较好的效果，但是其考 虑的延迟为平均延迟，而在很多领域，最差性能时 延才是产品性能和可靠性的关键保障．
Ｄｅｌａｙｂｏｕｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒ３Ｄ ＮｏＣ ｗｉｔｈｇｌｏｂａｌｌｏａｄｂａｌａｎｃｉｎｇｏｆＴＳＶ
ＷａｎｇＸｉａｏｌｅｉ ＨｕＱｉａｏ ＤｕＧａｏｍｉｎｇ ＺｈａｎｇＤｕｏｌｉ ＯｕｙａｎｇＹｉｍｉｎｇ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＶＬＳＩＤｅｓｉｇｎ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ） （ＩＣＤｅｓｉｇｎＷｅｂＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＨｅｉｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）