三维片上网络芯片关键设计技术研究

The project will study the 3D NOC asynchronous routing,efficient communication, architecture modeling, dynamic routing algorithm and thermal TSV distribution key scientific issues. Based on nanometer CMOS process, asynchronous circuit design principles and quasi-delay insensitive to circuit handshake protocol to study the impact on the performance of the on-chip 3D NOC routers, communication link, and network interface of asynchronous circuit design approach and globally asynchronous locally synchronous work mode different topology, different types of traffic, different routing algorithms, different switching strategies, different voltage frequency island as well as the different tasks mapping case; study 2D and 3D network on chip system power consumption, the corresponding handshake protocol and protocol conversion model data package working model, automatic voltage and frequency allocation model, the task of automatically mapping model the arbitration optimization model, the link transmission adaptive model. Consider the area of 3D NOC, communication bandwidth and temperature constraints, multi-level routing technology the coarsening program every 3D NOC area window, TSV coarsening network constraints assigned to each window by means of genetic algorithms to obtain 3D NOC thermal TSV through holes optimal allocation techniques.

本项目将研究3D NOC 的异步路由、高效通信、体系结构建模、全动态路由算法及热TSV 分布等关键科学问题。基于纳米级CMOS 工艺，基于异步电路设计原理和准延时不敏感电路的握手协议，研究异步电路设计方式和全局异步局部同步工作模式对3D NOC 的片上路由器、通信链路以及网络接口的性能影响；研究2D 和3D 片上网络在不同拓扑结构、不同流量类型、不同路由算法、不同交换策略、不同电压频率岛以及不同任务映射情况下对系统功耗的影响，提出相应的握手协议及协议转换模型、数据封装工作模型、电压和频率自动分配模型、任务自动映射模型、仲裁优化模型、链路传输自适应模型等。考虑3D NOC 的面积、通信带宽和温度的约束，应用多级路由技术，粗化划隔3D NOC 的各区域窗口，通过遗传算法等手段把TSV 根据约束分配到粗化网络的每个窗口，获得3D NOC 的热TSV 通孔最优化分配技术。

本项目研究了 3D NoC 的异步路由、高效通信、体系结构建模、全动态路由算法及热 TSV 分布等关键科学问题。基于纳米级 CMOS 工艺，本项目采用异步电路设计原理和准延时不敏感电路的握手协议，完成了利用异步电路四相双轨协议的全异步自调整附加权动态仲裁算法的仲裁器的设计，为NoC路由算法和资源竞争提供了异步解决方案，实现了高速低功耗自定时异步路由。. 针对片上传输链路，提出了一种自应答高速异步双轨推通道，采用独立传输链路，避免了复杂的时序设计，并降低传输链路间的干扰。以设计的协议转换电路和通道单元为基础，完成了两相自应答异步片上传输链路。两相自应答通信链路在吞吐量、功耗、面积各方面具有更好的性能。. 提出了基于距离导向的适用于二维Torus拓扑与三维Torus拓扑的负载均衡路由算法。改进了开放式Nirgam平台结构，使其支持三维Torus拓扑，并完成了路由算法的仿真验证。对不同网络规模、均匀流量模式和热点流量模式下的平均延迟和网络性能进行了评估，所提出的路由算法在热点流量模式下具有较好的网络数据包延迟表现且功耗较低。. 针对NoC中链路和路由逻辑的临时和永久故障，本项目利用CRC校验检测出现在链路或路由逻辑上的错误，提出了容错片上网络偏转路由。提出了一种全局自适应的由控制层软件实现路由决策的路由方案。针对拥塞无关和拥塞感知路由不同的工作机理，本项目设计了基于公平的可变优先级仲裁器的公平仲裁路由算法，并设计了一种新型远程拥塞感知路由，在全面考虑拥塞信息的同时避免了过大的硬件开销。并针对三维集成电路散热问题，研究了TSV的温度解析模型，寻找TSV面积比例因子的最佳范围，建立了圆锥形TSV的等效电路模型。. 通过上述关键问题的解决，有效解决了纳米级 3D NoC 的低功耗设计和异步片上通信电路设计方法学以及同异步混合设计的基础问题。