结合设备老化效应量化建模的低功耗片上网络可靠性动态优化方法

The research on reliability concerns caused by device aging effect is an important issue in Network-on-Chip (NoC) design. For example, negative bias temperature instability (NBTI) may result in more than 20% degradation in operating speed, or in extreme cases to a functional failure of NoC core. Focusing on NoC reliability issues under impact of NBTI aging effect, this research aims at developing dynamic optimization methodologies for low-power NoC systems. Several theoretical models and algorithmic framework have been proposed, in order to improve NoC system reliability as well as to mitigate NBTI aging effect. In this research,we establish a reasonable quantitative model for indexing core performance difference under NBTI effect. Using quantified index as workload constraints, dwe evelop dynamic zoning and dynamic task scheduling algorithms to balance workload among different cores. In addition, we propose a self-tuning optimization framework that allows adaptive scaling of operating frequency and voltage, and therefore achieves both power efficiency and NBTI aging mitigation. The proposed methods can be applied to real NoC multi-core systems and can be extended to other high-performance parallel computing systems with reliability concerns.

设备性能老化效应下的可靠性设计是片上网络研究领域的一类重要问题，如负偏置温度不稳定性可能导致片上网络的设备发生20%以上的性能退化，甚至发生功能故障。本项目拟针对设备老化效应导致的片上网络可靠性问题，深入研究老化效应下的低功耗片上网络的动态优化方法，提出一系列的理论和算法模型，在提高片上网络系统效能和可靠性的同时有效缓解老化效应对设备性能的退化影响。建立合理的理论模型以量化片上网络设备在老化效应下的性能差异。并以量化的能力指数作为负载约束，设计新型的动态分区和动态任务分配算法，实现片上网络的负载平衡并缓解设备性能退化对系统可靠性的影响。提出新型的运行工况自修正优化框架，实现功耗高效和减缓老化效应的协同优化。本项目的研究成果可应用于实际片上网络多核系统并可推广至其它具有可靠性设计要求的高性能并行计算系统，具有广泛的应用前景、重要的理论价值和实际意义。

在将来的纳米级片上网络设计中，可以预见器件老化效应将会随着芯片集成度的提高而日趋严重，由此导致的片上网络设备性能差异也会越来越显著，给片上多核系统的可靠性设计带来了巨大的挑战。如果没有系统有效的方法对设备性能退化的差异进行准确的描述和预测并设计相应的多核优化算法，将会导致严重的系统可靠性问题并降低片上网络的运行寿命。针对上述问题，本项目提出了以下一系列富有创新性和实用价值的模型和算法：.（1）建立了一种新的负偏置温度不稳定性(negative bias temperature instability, NBTI)性能退化模型，用量化的能力指数表征NBTI效应造成的片上网络设备性能差异，使得NBTI效应能够显式地反映在多核优化框架中，为本项目的片上网络动态优化方法提供了理论基础和算法依据。.（2）提出了一种新型的动态分区和动态任务调度算法，在任务分配流程中引入量化的能力指数作为计算核任务负载的约束条件，进而实现了一种新型的动态优化框架，在缓解NBTI效应的基础上实现系统负载平衡。.（3）提出了一种计算核的运行工况自修正优化算法，综合利用系统性能指标、计算核运行工况及NBTI效应的关联性，参照NBTI量化能力指数动态修正计算核时钟频率和电压，最终实现了一种系统功耗和运行效率的协同优化方案。.（4）设计了一种新型的路由单元输入缓存机制，跳脱了传统片上网络路由单元的顺序数据访问模式，通过虚拟冲突阵列匹配消除数据访问请求，能够提高路由单元的数据吞吐率、降低了系统能耗，并从架构上保证本项目所研究的片上网络动态优化方法的运行效率。.本项目的主要贡献在于建立了底层器件的老化效应和上层设备的性能退化之间的映射关系，根据计算核在NBTI老化效应影响下的实时性能变化进行动态任务调度和负载平衡，有效缓解设备的并延长系统使用寿命。本项目所实现的方法和技术，对提高片上网络优化算法的效率和增强片上网络系统可靠性，具有十分重要的理论意义。