WiNoC中拥塞避免方案及可重配置网络架构研究

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无线片上网络(Wireless Network-on-Chip,WiNoC)将无线通信技术应用到芯片上,以解决传统片上网络(Network-on-Chip,No C)中长距离多跳有线链路的高延迟和高功耗问题。但是,无线收发器的布置需要耗费大量的片上资源,因此只能为少量片上路由器配备无线接口。而所有需要使用无线链路的数据包都必须先路由至无线接口处,这就导致了WiNoC面临着比传统No C更严重的拥塞问题。此外,由于程序运行时的空间和时间局部性原理,在同一段时间内,片上只有若干个远距离高频通信对需要使用无线链路。而传统方案中无线接口的分配规则都是固定的,不能随片上流量的变化而变化,缺乏灵活性。基于上述原因,本文为WiNoC设计了高效的拥塞避免方案和可重构的无线接口。论文主要工作如下:(1)针对WiNoC中无线节点的拥塞问题,平衡不同链路的流量负载。本文提出并设计了一种基于优先级的交叉开关仲裁方案Pb SA(Priority-based Switch Allocator),其将优先级更高的无线数据包优先路由至无线节点;结合Pb SA提出了拥塞感知的路由算法CARA(Congestion-aware Routing Algorithm),该算法有效平衡有线/无线链路负载且避免死锁,提高了数据包在网络中的路由效率。此外,本文还提出了有效的虚通道划分方法,它不仅减少了实现Pb SA的硬件复杂度,而且缓解了无线节点发生拥塞时对整个网络的影响。实验表明,虽然本文的方案引入了较小的面积和功耗开销,但是具有良好的流量自适应特性,从而在网络处于不同的数据包注入率时,降低了数据包的平均传输延迟,提升了网络的饱和吞吐量。(2)针对WiNoC中无线接口的灵活性问题。本文基于程序运行期间的空间和时间局部性原理,提出并设计了流量自适应的可重构无线接口。流量自适应主要体现在该无线接口可以根据历史流量状态,利用MUX重构它到其余片上路由器的链接,从而提高无线利用效率。此外,本文通过重构规则和分配模块的设计,减小了重构所引起的性能开销。实验表明本方案在网络架构为64核心的WiNoC下,较固定无线接口,在延迟和吞吐量方面都有较好的性能提升,而在功耗及面积开销方面仅分别增加了约0.452%和0.08%。
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