三维片上网络热均衡关键技术研究

摘要（限400字）：.3D NoC融合了三维集成电路和片上网络两个领域的技术优势，不仅可以提高芯片集成度，而且可以从体系结构层面改善片上互连的通讯性能，为集成电路设计技术的发展提供新的空间与挑战。其中，关键科学问题之一是需要解决芯片的散热问题。传统二维芯片中的发热问题已不容忽视，在三维集成电路中，由于硅片堆叠导致的发热问题更加严重，需探索新的方法和技术以保证芯片可靠性。.本课题以热均衡理论为基础，以降低温度梯度，消除芯片中的"过热点"为基本思路，结合3D NoC中资源节点多样性和非均匀性等特点，研究热模型与热分析方法，探索新型3D NoC体系结构及动态热管理技术。提出RePN系统，通过可重构硬件原型，将硬件加速能力与软件模型求解能力高效结合，从而解决3D NoC热均衡优化中的面积、性能、功耗、温度均衡多约束空间探索、超长仿真时间等技术难题。

片上网络（NoC）从体系结构上解决了多核芯片设计中的并行通讯及可扩展性问题，成为多核芯片设计的发展方向。三维集成电路不仅可提高器件集成度，而且能缩短网络直径，克服二维平面的扩展性限制。3D NoC融合了NoC和3D IC两个领域的技术优势，为3D多核研究提出了众多新课题。这其中，发热成为需首要解决的问题之一。硅片堆叠和芯片集成度的增加，导致芯片产生的热量更多，发热点更不均匀，严重影响芯片的可靠性。因此，3D NoC发热成为继面积、速度、功耗等之后的重要课题。.本项目针对3D NoC的热均衡问题，以面向特定应用领域的异构众核集成为主要应用背景，以媒体处理类应用为主要对象，开展了面向3D集成、基于NoC互连的异构众核芯片设计的热均衡优化研究，项目形成的研究成果和结论主要包括以下几个部分：.在热模型和分析方面的研究方面：建立了针对三维片上网络系统的热分析环境，对三维Mesh片上网络结构的热特性进行分析研究，并根据热特性分析结果设计三维Mesh片上网络热均衡路由算法和热均衡路由器，应用热分析环境对提出的热均衡路由算法和热均衡路由器进行性能实验。在此基础上，对三维Mesh片上网络结构进行热模型建模，并进行该结构的热特性分析，得出同一层核和不同层核之间的热关联特性结论。.在面向热优化的NoC路由和资源布局方面： 研究了支持热点回避的转向路由和回退路由的“包-电路交换”机制；研究并实现了三种“包-电路交换”优化方案；在此基础上，研究并设计了自适应动态混合路由器，使得系统温度更均衡。面向多芯片组模拟多核3D集成的仿真需求，研究并给出了一种面向多核芯片组的任务映射算法，以及一种具有普适性的多核芯片通讯方案。该任务映射算法可以有效减少芯片间的任务通讯量，从而降低功率消耗，提供更多的热优化空间。.在3D NoC热优化模型、硬件原型加速技术等方面：研究了周期精确、面向寄存器传输级（RTL）系统级建模方法，建立的NoC系统级模型，并针对NoC可扩展性问题研究提高仿真速度的建模优化方法；设计一种支持包-电路交换的NoC系统级模型，并对其进行优化。通过对仿真中的资源（模块数、线程数和信号数）进行定量分析,提出了一种弱化路由结点层次结构、进程归并和交叉开关虚拟化的优化方法。在上述研究工作的基础上，研究并设计了一款针对高密度计算应用的片上网络通讯的多核原型系统。