三維片上網(wǎng)絡拓撲結構與容錯機制研究.pdf

1、片上網(wǎng)絡是解決大規(guī)模片上系統(tǒng)復雜互聯(lián)問題的有效方案之一,由于具有高帶寬、低延時、易擴展等特點受到學術界關注。傳統(tǒng)的二維片上網(wǎng)絡布局布線局限于平面,阻礙了系統(tǒng)性能和規(guī)模的提升,而三維片上網(wǎng)絡由于結構上的優(yōu)勢可以突破這些限制。拓撲結構是三維片上網(wǎng)絡設計的關鍵步驟,對提高三維片上網(wǎng)絡通信性能有著非常重要的意義。同時,隨著三維片上網(wǎng)絡設計規(guī)模的擴大和工作頻率的提升,系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率也在相應提高,研究面向三維片上網(wǎng)絡的容錯機制是保證三維片上網(wǎng)絡

2、通信可靠性的重要手段。論文對三維片上網(wǎng)絡拓撲結構和容錯機制展開深入的研究,重點解決三維片上網(wǎng)絡拓撲結構評估方法、規(guī)則型和非規(guī)則型三維拓撲結構的性能優(yōu)化、針對永久性故障和瞬時性故障的容錯機制等關鍵問題。
　　論文首先研究了三維片上網(wǎng)絡中延時和功耗指標的評估方法,建立了三維片上網(wǎng)絡延時和功耗的評估模型,并結合改進的三維片上網(wǎng)絡拓撲仿真平臺,在分析拓撲結構特征的基礎上對性能參數(shù)進行了仿真和分析,比較了目前三維片上網(wǎng)絡中常見的拓撲結構在吞

3、吐量、延時和功耗方面的性能。該評估方法和結果為之后拓撲結構的性能優(yōu)化設計提供了參考依據(jù),同時提供了性能評估基礎。
　　在規(guī)則型三維片上網(wǎng)絡拓撲結構設計方面,提出一種稱為3D-Spidergon的規(guī)則三維拓撲原型及延時優(yōu)化的拓撲生成算法,通過建立拓撲結構和平均延時的關系,確定最小化延時條件下的拓撲結構。同時提出了一種針對該拓撲的自適應路由算法,以縱向路由為優(yōu)先方向,通過自適應尋找源節(jié)點和目的節(jié)點的等效最短路徑,避免網(wǎng)絡擁塞,并提高了

4、網(wǎng)絡吞吐量。仿真結果表明,同等規(guī)模的3D-Spidergon與3D-Mesh相比,在網(wǎng)絡近似飽和的情況下,延時時間降低17％,吞吐量提高16.7%。
　　針對三維片上網(wǎng)絡垂直方向互連距離較短的特征,提出一種混合型三維NoC拓撲結構設計方法。在垂直方向,以一種基于偽令牌協(xié)議的總線結構,通過同步令牌更新方法提高總線利用率;在水平方向,以全連接網(wǎng)絡為設計原型,通過異構的水平子層算法降低網(wǎng)絡直徑。同時提出一種防擁塞的自適應路由算法,在總線

5、負載較高的情況下優(yōu)先通過水平子層尋找空閑總線,降低了垂直總線擁塞的可能性。實驗結果表明,本文提出的混合型三維拓撲在隨機流量分布情況下,平均延時比3D-Mesh低34.4%,比長連接三維拓撲低13.1%,而功耗分別比3D-Mesh和長連接三維拓撲下降43%和7%。在熱點分別流量情況下,延時比3D-Mesh低36.9%,比長連接三維拓撲低13.3%,功耗則分別下降48%和5%。
　　為避免三維片上網(wǎng)絡中永久性故障對系統(tǒng)功能的影響,提出

6、一種應用于3D-Mesh網(wǎng)絡的無死鎖容錯路由算法DPRA。首先針對3D-Mesh拓撲缺乏故障區(qū)域模型的問題,提出一種新的故障塊定義規(guī)則,減少了受故障節(jié)點影響的健康節(jié)點數(shù)目;在此基礎上,設計一種故障節(jié)點探測和繞道路徑生成算法,采用遞歸式消息傳遞實現(xiàn)故障塊區(qū)域的建立和繞道路徑列表的生成。在繞道容錯路由算法DPRA中,采用部分路由表和路由規(guī)則相結合的方法引導報文繞過故障區(qū)域,提高了路由算法的執(zhí)行效率。實驗結果表明,DPRA算法在保證數(shù)據(jù)到達率

7、的前提下,在節(jié)點故障率分別為2%,4%,6%,8%和10%的情況時平均延時分別比禁止轉彎模型路由算法減小9.7%,10.3%,13.3%,13.1%和13.4%,而功耗分別降低17.8%,19.6%,15.6%,9.6%和10.2%。
　　針對三維片上網(wǎng)絡中主要的瞬時故障來源串擾問題,提出一種以防串擾編碼為核心,聯(lián)合低功耗編碼和差錯控制編碼的容錯聯(lián)合編碼方案CAJC。通過基于斐波那切數(shù)列的防串擾編碼,抑制串擾對數(shù)據(jù)傳輸正確率的影響