片上网络演算模型及性能分析研究

随着集成电路技术的发展，片上网络（Networks-on-Chip，NoC）替代传统的总线或点到点互连成为多核芯片内新的通信架构。性能分析是片上网络一个重要的研究方向，对于构建性能可预测的系统、提供端到端的QoS保证和加速NoC设计空间搜索意义重大。本课题基于网络演算对片上网络进行系统建模和性能分析，重点推导业务流的端到端延迟上界，研究提供尽力服务的分组交换NoC中，网络冲突、拓扑结构、流量控制、交换策略及缓冲区大小对通信性能的影响。提出NoC中多业务流竞争网络资源的冲突树演算模型，NoC二维和三维拓扑通信性能的对比分析模型，NoC基于信约的链路级流量控制演算模型，NoC虚通道虫孔交换演算模型。本课题为NoC建立一套完备的确定性性能分析方法，为网络演算这一新兴的数学理论开辟一个新的应用领域，具有很高的研究价值和实际意义。

本课题基于网络演算对片上网络进行系统建模和性能分析，研究了NoC延迟上界分析技术、业务流自相似流量模型、积压上界分析技术、功耗分析模型及低功耗设计技术，为NoC建立了一套完备的确定性性能分析方法，为网络演算理论开辟了一个新的应用领域。主要包括以下四方面内容：.1）NoC延迟上界分析技术.重点推导业务流的端到端延迟上界，研究提供尽力服务的分组交换NoC中，网络冲突、流量控制、交换策略对通信性能的影响。提出多业务流竞争网络资源的冲突模型。分析基于信约的流量控制机制的性能，提出一个抽象的网络服务元素——流量控制器，对信约的反馈控制行为进行建模。提出虫孔交换网络中业务流在信约短缺、交换机或虚通道分配失败等阻塞条件下的资源共享分析模型，设计缓冲区共享分析网络构建算法，并给出延迟上界分析方法。.2）NoC 业务流自相似流量模型.首先证明自相似流不能被任意确定性到达曲线所包络，接着证明若引入一个附加参数——溢出概率，用于刻画自相似流超越包络线的突发，那么自相似流就能被一条确定性到达曲线所包络。“速率、突发、溢出概率”这一三参数流量模型为利用网络演算分析自相似流的通信性能和缓冲开销提供便利。.3）NoC积压上界分析技术.分析路由器最差积压上界可以为确定缓冲区大小和网络拥塞控制提供支撑。提出基于有向竞争图（DiGB）的方法分析最差积压上界。首先，分析简单情形下如何利用网络演算到达曲线和服务曲线推导积压上界。然后，针对复杂情形，构造一个有向竞争图（DCG）分析数据流之间关系。最后，采用广度优先搜索策略遍历DCG，DiGB方法把复杂情形分解为基本情形，利用基本情形下的模型完成所有路由器积压上界的推导。.4）NoC功耗分析模型及低功耗设计技术.提出一种基于网络演算的高效能（PNC）片上网络设计方法，在满足延迟需求前提下，尽量减少网络能量消耗。首先，分析NoC 中每条业务流最差情况下的通信延迟。基于网络报文在不超过延迟界限时能够承受的进一步延迟时间（也叫延迟空缺），PNC 方法利用电源闸控技术减少处于工作状态的缓冲单元，并利用电压频率调节技术降低电压频率岛的电压频率，进而降低片上网络的功耗。