帶冗余核的NoC眾核系統(tǒng)容錯技術(shù)研究.pdf

1、隨著芯片特征尺寸的減小和系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，眾核系統(tǒng)的容錯問題已不容忽視。處理器核是眾核系統(tǒng)中提供處理能力的重要組件。為應(yīng)對處理器核故障，常用方法是在芯片中設(shè)置冗余核。如何以最小代價最大限度減少處理器核故障給眾核系統(tǒng)整體性能造成的損失是研究人員當(dāng)前所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一。
　　眾核系統(tǒng)中，處理器核故障不僅會影響芯片的物理拓撲結(jié)構(gòu)，還會影響軟件的運行。為保證處理器核故障后系統(tǒng)的可管理性、任務(wù)負載的平衡性，減小物理拓撲變化對任務(wù)執(zhí)行的影響

2、，本文以帶有冗余核的、基于NoC的眾核系統(tǒng)為研究對象，從管理結(jié)構(gòu)容錯、任務(wù)遷移、虛擬拓撲還原與物理拓撲還原4個方面出發(fā)，圍繞眾核系統(tǒng)永久性處理器核故障的容錯問題展開研究。論文的主要工作包括：
　?。?）研究眾核系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)的容錯方法。眾核系統(tǒng)發(fā)生永久性處理器核故障后，首先需要解決系統(tǒng)如何恢復(fù)的問題。眾核系統(tǒng)的管理結(jié)構(gòu)是直接負責(zé)整個眾核系統(tǒng)資源管理的重要結(jié)構(gòu)，只有使管理結(jié)構(gòu)本身具有較強的容錯能力，才能使眾核系統(tǒng)從故障中自主恢復(fù)運行。

3、為增強眾核系統(tǒng)管理結(jié)構(gòu)的故障適應(yīng)能力，本文研究一種角色可變的容錯管理方法。該方法根據(jù)典型的層次化管理方式，采用一種角色可轉(zhuǎn)變的管理結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)提出相互監(jiān)視、自適應(yīng)管理、選舉和自喚醒4種機制，使各核心都具有自主判斷和構(gòu)建管理結(jié)構(gòu)的能力。實驗表明，該方法能夠保證管理結(jié)構(gòu)容忍各種分布的處理器核故障；在每個核增加20K字節(jié)ROM開銷與35.6K字節(jié)RAM開銷情況下，眾核系統(tǒng)能夠在各種故障情況下成功重構(gòu)管理結(jié)構(gòu)，維持運行；在系統(tǒng)正常運行時，該

4、方法僅引入1.48％的計算開銷。
　　（2）研究面向負載平衡的任務(wù)遷移算法。眾核系統(tǒng)恢復(fù)管理以后，故障核上的任務(wù)需要遷移到其他無故障核上繼續(xù)運行。而尋找最優(yōu)任務(wù)遷移終點的問題本質(zhì)上屬于任務(wù)分配問題，是NP完全問題，很難在短時間內(nèi)求得最優(yōu)解。為能夠在較短時間內(nèi)得到一種滿意的負載平衡的任務(wù)遷移方案，本文對標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進行了改進，研究一種自適應(yīng)交叉An混沌映射擾動的遺傳遷移算法。該算法將標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法中的固定交叉率修改為自適應(yīng)交叉率加快算

5、法收斂速度，并通過隨進化代數(shù)遞減的交叉點數(shù)選取方法來緩解算法早熟問題和平衡算法前后期的搜索速度。此外，為進一步提高算法的局部搜索能力，該算法利用An混沌映射對每代中的最優(yōu)個體施加擾動。實驗表明，本文改進算法在適應(yīng)度和標(biāo)準(zhǔn)差方面較標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法平均提升33.9%和27.1%，算法尋優(yōu)過程優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法。與其他4種算法相比，本文算法能夠產(chǎn)生更加平衡的任務(wù)分布，有利于緩解芯片中局部溫度過高的問題，也有利于芯片整體的均勻老化。
　　（3）

6、研究虛擬拓撲重配置容錯方法。永久性處理器核故障將導(dǎo)致眾核系統(tǒng)物理拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。為減小物理拓撲變化給傳統(tǒng)2D mesh NoC眾核系統(tǒng)帶來的性能損失、縮短系統(tǒng)故障恢復(fù)時間，本文研究一種適用于眾核系統(tǒng)的、面向虛擬拓撲還原的快速兩步拓撲重配置算法。該算法關(guān)注映射方案DF值與算法的計算復(fù)雜度，通過定義映射區(qū)域并采用匈牙利算法求解最大匹配問題，快速得到初始映射解；通過約束交錯映射情況縮小禁忌搜索的搜索范圍，在初始映射解基礎(chǔ)上快速優(yōu)化，得到最終

7、映射方案。此外，還利用本文算法對前期提出的消息傳遞模型中的虛擬拓撲層進行擴展。實驗結(jié)果表明，本文算法具有較低的容錯時間開銷；當(dāng)故障位置隨機分布時，本文算法在DF值的優(yōu)化效果上較參考算法平均提升5.81%；而當(dāng)故障位置集中分布時，該提升比達到了15.40%，對故障的分布具有較強的適應(yīng)能力。
　?。?）研究物理拓撲重配置容錯方法。雖然虛擬拓撲技術(shù)可緩解物理拓撲變化對上層軟件的影響，但在傳統(tǒng)2D mesh NoC眾核系統(tǒng)中僅依靠虛擬拓撲

8、技術(shù)并不能保證系統(tǒng)性能的完全恢復(fù)。針對該問題，本文首先在傳統(tǒng)2D mesh NoC結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了路由器和多路選擇器，研究一種物理拓撲可還原的可重配置2D mesh互連結(jié)構(gòu)；然后針對該結(jié)構(gòu)研究一種拓撲重配置算法以尋找有效的拓撲重配置方案。該算法通過每次找到的局部最優(yōu)解來逐步逼近全局最優(yōu)解，并在一定條件下修改初始解并重新搜索。實驗表明，采用本文結(jié)構(gòu)的Intel80核芯片總面積僅增加約3.8%；對于工作網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不超過12×12的帶有單列冗余