低功耗异构片上网络关键问题研究

In order to meet the ever increasing demand for high performance computing power, it is inevitable to integrate more and more cores on a single chip to form many-core chip multiprocessor (CMP). CMPs have been widely used in cloud computing, mobile devices, high performance computing etc. The increasing of the chip performance, however, comes with explosive growth in power consumption, preventing it from further growth in CMP performance. This project mainly studies the key issues of energy-efficient network-on-chip (NoC) in architectural level. The major topics include research on the energy-efficient heterogeneous NoC architecture; design of routing protocol and router architecture in multiple NoCs; studying the related network congestion metric, propagation and collection mechanism of congestion information;establishing energy-efficient multiple NoC model, power model, and the trade-off mechanism between power-gating and network performance. The main purpose is to study and explore the new theory and methods in building energy-efficient multiple network-on-chip (NoC) in many-core CMPs.

为了满足日益增长的计算性能需求，通过集成更多内核形成众核芯片处理器成为必然选择。目前众核芯片在云计算、移动设备、高性能计算等领域得到广泛应用。然而众核芯片规模和计算性能的增长导致芯片功耗快速增长，成为众核芯片发展的主要制约。本项目主要研究低功耗的高性能片上网络的一系列系统架构级的关键问题，研究课题包括研究低功耗异构多片上网络的整体设计；设计多片上网络各个子网络的低功耗路由协议和路由器；制定相关网络拥塞的的检测策略和拥塞状态信息的快速传播和收集方法；建立低功耗多片上网络的网络模型、功率模型，和电源门控节能效果和网络性能综合评估和选择机制，探讨应用不同类型的异构多片上网络以构建低功耗、高性能众核通讯机制的新理论和新方法。

本项目主要研究低功耗的高性能片上网络通讯机制中一系列系统架构级的关键问题。我们按申请书的计划开展了对低功耗多片上网络的关键问题的研究，取得一系列的研究成果。. 本项目设计的低功耗多片上网络(NoC)的各个子网络具有相同的拓扑结构但可具有相同或不同的路由协议。我们设计了以二维网格作为拓扑结构的三类子网络：无缓存网络、低序网络和高序网络。. 系统地设计各个子网络低功耗路由协议和路由器和流控制机制。设计了与传统转向路由方法不同的无缓存网络路由方法，采用新优先级方法以适应于虫洞路由交换，有效地避免活锁，并设计采用电源门控技术的低序网络和高序网络的低功效路由器。高序网络路由器只有在无缓存网络和低序网络出现拥塞时才唤醒启动，采用自适应算法避免和减少拥塞，并采用我们提出的通讯通道压力模型设计高效自适应路由协议和算法，能与线路开关技术的低带宽网络无缝连接。. 研究了低功耗片上网络相关的各子网络的拥塞避免、检测标准和处理策略，设计了相应的低功耗、高性能路由器架构，具有快速收集和快速传播拥塞状态信息的能力。计了在路由器上加入电源门控和具预唤醒性能等路由器部件的新型体系结构和相应的路由器原型。. 系统地研究了片上网络的网络模型、功率模型，和电源门控节能效果和网络性能综合评估机制，从而验证、评估所提出的方案和方法。. 报告以上研究成果的论文已经分别发表在IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，IEEE Transactions on Parallel and Distributed System，IEEE Transactions on Computers等本领域的国际顶级学术期刊上（见论文目录）。