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

1、隨著半導體工藝的飛速發(fā)展，電子元器件特征尺寸的減小，人們在單個芯片上可以集成越來越多的知識產(chǎn)權(quán)(Intellectual Property，IP)核?；趥鹘y(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)已經(jīng)無法滿足日益增長的通信需求。為了解決總線結(jié)構(gòu)的通信瓶頸問題，片上網(wǎng)絡(Network on Chip，NoC)作為一種新的芯片體系結(jié)構(gòu)被提出。NoC的核心思想是將計算機網(wǎng)絡技術(shù)移植到芯片設計中來。NoC和傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡有

2、很多相似之處，但由于它是在單個芯片上實現(xiàn)的微型網(wǎng)絡，需要考慮功耗和面積限制，以及復雜連線帶來的時鐘周期增長等問題。為了進一步提高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，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拓撲結(jié)構(gòu)具有重要的意義。在此研究背景下，本文主要進行了以下幾個方面的研究工作：
　　 首先，本文介紹了Mes

3、h等五種經(jīng)典NoC拓撲結(jié)構(gòu)，詳細總結(jié)了3D Mesh和3D Torus的拓撲結(jié)構(gòu)及其路由算法。通過實驗仿真，評估了3D Mesh和2D Mesh的網(wǎng)絡性能，在同等網(wǎng)絡規(guī)模下，3D Mesh比2D Mesh有更好的網(wǎng)絡性能。
　　 其次，超立方體拓撲結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的特性且適合在三維芯片中布局，本文實現(xiàn)了基于超立方體結(jié)構(gòu)的三維片上網(wǎng)絡，一方面結(jié)合了三維架構(gòu)的優(yōu)勢，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。理論分析表明，在吞

4、吐量、網(wǎng)絡平均延時、網(wǎng)絡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，利用實驗仿真，在均勻負載、局部負載和熱點負載模式下將超立方體結(jié)構(gòu)與3D Mesh結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)絡性能與功耗的比較。實驗結(jié)果表明，當包注入率較低時，兩者網(wǎng)絡性能相當。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)絡性能。另外，在三種負載模式下，超立方體結(jié)構(gòu)的平均功耗