器件参数不确定性感知的片上网络能效优化理论与方法

Energy-efficiency is one of the most important issues in network-on-chip (NoC)-based multi-core systems. With the continuously increasing scale of interconnection networks, energy-efficiency has become more and more important. Moreover, the reliability issues caused by device parameter uncertainties make it more challenging to achieve energy-efficiency in NoCs. For this reason, this project aims at developing a series of multi-hierarchy optimization methods for energy-efficient NoCs in the presence of device parameter uncertainties. To start with, we first investigate the impacts of various sources of parameter uncertainties upon performance metrics, and further establish device-level prediction models for evaluating the dynamic fluctuations in performance metrics propagated from parameter uncertainties. Furthermore, based upon the established prediction models, we propose system-level uncertainty-aware task scheduling algorithm and routing algorithm for energy-efficient NoCs, in order to achieve system energy-efficiency as well as to improve system reliability. In addition, we propose an architecture-level NoC router design to further enhance system energy-efficiency by reducing router communication latencies. The various optimization methods developed in this project can provide a complete solution to maximizing NoC energy efficiency in the presence of device parameter uncertainties, which is capable of reducing NoC energy consumption and improving system reliability simultaneously.

能效优化是基于片上网络的多核系统中的一类重要问题，并且其重要性随着互连网络规模的不断扩大而日益显著，而底层器件参数不确定性造成的设备可靠性问题进一步给片上网络的能效优化带来更加严峻的挑战。为此，本项目拟围绕器件参数不确定性感知的片上网络多层次能效优化方法展开深入研究。首先，在器件层深入分析多种参数不确定性对设备性能指标的影响，建立合理的预测模型以评估参数不确定性造成的性能指标动态变化。然后，在系统层基于上述预测模型提出不确定性感知的高能效任务调度和路由算法，在实现片上网络系统能效优化的同时保障系统可靠性。最后，在体系结构层提出了一种片上网络路由单元的微体系结构，通过降低路由单元的通信时延进一步提高系统能效。本项目拟研究的一系列优化设计方法能够形成一套完整的应对器件参数不确定性的片上网络能效优化解决方案，对于有效降低片上网络系统能耗并提高系统可靠性，具有十分重要的理论意义和实用价值。

能效优化是基于片上网络的多核系统中的一类重要问题，并且其重要性随着互连网络规模的不断扩大而日益显著，而底层器件参数不确定性造成的设备可靠性问题进一步给片上网络的能效优化带来更加严峻的挑战。为此，本项目围绕器件参数不确定性感知的片上网络多层次能效优化方法展开深入研究，所取得的研究成果主要包括：.. 1. 建立了一种器件参数不确定性影响下的性能指标预测模型。系统分析工艺参数不确定性引起的性能浮动和时变老化参数引起的性能退化，构建性能指标变化的随机过程模型；通过不确定性分析方法，最终得到参数不确定性影响下的性能指标预测模型，能够准确预测性能指标的均值、方差等统计特性。. 2. 提出了一种不确定性感知的高能效片上网络任务调度算法。基于性能指标的不确定性预测模型，在高能效任务调度优化框架中引入不确定性感知的约束条件；设计基于任务特性的可行任务调度生成算法求解调度优化问题，在降低计算子系统能耗的同时能够应对不确定性造成的工作频率指标退化。. 3. 提出了一种不确定性感知的高能效片上网络路由算法。根据时延变化程度动态均衡各通信设备的流量负载，构建不确定性感知的高能效路由优化模型，并设计元启发式和启发式搜索策略求解优化问题，使得最优路由解在降低通信子系统能耗的同时能够应对不确定性造成的路由时延指标退化。. 4. 设计了一种基于虚拟冲突阵列的高能效路由单元结构设计。在片上网络的输入缓存中设计一种虚拟冲突阵列机制，通过匹配消除数据访问请求减少通信路径上的数据流量减少路由单元的通信能耗。实验结果表明引入虚拟冲突阵列的路由单元结构能够显著降低路由时延。..本项目所实现的一系列优化设计方法能够形成一套完整的应对器件参数不确定性的片上网络能效优化解决方案，对于有效降低片上网络系统能耗并提高系统可靠性，具有十分重要的理论意义和实用价值。