超立方體結(jié)構(gòu)在三維片上網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)與性能分析.pdf

1、隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展，電子元器件特征尺寸的減小，人們?cè)趩蝹€(gè)芯片上可以集成越來(lái)越多的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property，IP)核。基于傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的通信需求。為了解決總線結(jié)構(gòu)的通信瓶頸問(wèn)題，片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip，NoC)作為一種新的芯片體系結(jié)構(gòu)被提出。NoC的核心思想是將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)移植到芯片設(shè)計(jì)中來(lái)。NoC和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有

2、很多相似之處，但由于它是在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)的微型網(wǎng)絡(luò)，需要考慮功耗和面積限制，以及復(fù)雜連線帶來(lái)的時(shí)鐘周期增長(zhǎng)等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高NoC的性能，三維(three dimensions，3D)NoC的概念被提出，3D封裝技術(shù)能縮短芯片上IP核之間的通信距離，減少延時(shí)，降低功耗，提高系統(tǒng)性能。因此研究適合在三維結(jié)構(gòu)中布局的NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要的意義。在此研究背景下，本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　 首先，本文介紹了Mes

3、h等五種經(jīng)典NoC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)總結(jié)了3D Mesh和3D Torus的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其路由算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，評(píng)估了3D Mesh和2D Mesh的網(wǎng)絡(luò)性能，在同等網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，3D Mesh比2D Mesh有更好的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　 其次，超立方體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性且適合在三維芯片中布局，本文實(shí)現(xiàn)了基于超立方體結(jié)構(gòu)的三維片上網(wǎng)絡(luò)，一方面結(jié)合了三維架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，另一方面克服了超立方體結(jié)構(gòu)在二維芯片中不易布局的缺點(diǎn)。理論分析表明，在吞

4、吐量、網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)直徑及功耗方面超立方體結(jié)構(gòu)優(yōu)于3D Mesh結(jié)構(gòu)，在物理實(shí)現(xiàn)難度和芯片面積開銷方面超立方體結(jié)構(gòu)劣于3D Mesh結(jié)構(gòu)。
　　 最后，利用實(shí)驗(yàn)仿真，在均勻負(fù)載、局部負(fù)載和熱點(diǎn)負(fù)載模式下將超立方體結(jié)構(gòu)與3D Mesh結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能與功耗的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)包注入率較低時(shí)，兩者網(wǎng)絡(luò)性能相當(dāng)。隨著包注入率的增大，超立方體結(jié)構(gòu)比3D Mesh結(jié)構(gòu)有更好的網(wǎng)絡(luò)性能。另外，在三種負(fù)載模式下，超立方體結(jié)構(gòu)的平均功耗