Low power networks-on-Chip

Abstract

Το μέσο διασύνδεσης στα συστήματα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (System on Chip: SoC) γίνεται ολοένα και πιο σημαντικό. Τα δίκτυα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (Νetwork-on-Chip: NoC) παρείχαν την πρωτοποριακή τεχνολογία που απαιτούνταν ώστε το μέσο διασύνδεσης των SoCs να μετεξελιχθεί από απλός δίαυλος επικοινωνίας σε ένα αποτελεσματικό δίκτυο διασύνδεσης το οποίο συμπεριφέρεται σαν μια μικρογραφία του ίντερνετ μέσα στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Πλέον, τα δίκτυα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα αποτελούν μέρος όλων των SoCs και χρησιμοποιούνται σε διάφορα τμήματα της αγοράς, από πολυμέσα και συσκευές τηλεπικοινωνίας έως αυτοκίνητα και ιατρικά μηχανήματα. Παρόλη την αποτελεσματικότητα των NoCs, υπάρχουν πλέον πολλές ενδείξεις ότι οι αρχιτεκτονικές των δικτύων αυτών αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις στην προσπάθεια τους να ικανοποιήσουν τις αυστηρές απαιτήσεις για υψηλές αποδόσεις και χαμηλή ισχύ. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναπτύξαμε τρεις συμπληρωματικές τεχνικές που επιτρέπουν τον σχεδιασμό NoC χαμηλής ισχύος, ενώ παράλληλα αναπτύξαμε μια αυτοματοποιημένη μέθοδο επαλήθευσης της μέγιστης ισχύος ενός NoC. Η πρώτη προσπάθεια επιχειρεί να μειώσει την κατανάλωση ισχύος μέσω της σχεδίασης των ενταμιευτών χαμηλού κόστους. Αρχικά, προτείνεται ένας κοινόχρηστος ενταμιευτής χαμηλού κόστους που υποστηρίζει τη χρήση εικονικών καναλιών. Ο προτεινόμενος ενταμιευτής μπορεί να μειώσει τις απαιτήσεις για αποθήκευση κοντά στο απόλυτο ελάχιστο, χωρίς να θυσιάζει την απόδοση του δικτύου. Οι ενταμιευτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα κανάλια, ως μία διαμοιραζόμενη αρχιτεκτονική ελαστικής αποθήκευσης, ή στις πόρτες εισόδου και εξόδου των δρομολογητών του NoC. Η δεύτερη προσέγγιση χρησιμοποιεί τη φυσική σύνθεση καταχωρητών πολλαπλών δυαδικών ψηφίων για τη μείωση του αριθμού των καταχωρητών ενός κυκλώματος, μειώνοντας έτσι σημαντικά τη συνολική πολυπλοκότητα και ισχύς του κυκλώματος διάδοσης του ρολογιού. Η σύνθεση καταχωρητών πολλαπλών δυαδικών ψηφίων ακολουθεί μία ισορροπημένη προσέγγιση αναδιάρθρωσης, όπου η μείωση του αριθμού των καταχωρητών δεν αυξάνει το χρονικό διάστημα καθυστέρησης, το μήκος των καλωδίων ή το ποσοστό διασύνδεσης. Οι νέοι ενταμιευτές χαμηλού κόστους, αφού ενισχύθηκαν με δομές αυτοελέγχου, χρησιμοποιήθηκαν στο σχεδιασμό μίας κλιμακούμενης κατανεμημένης αρχιτεκτονικής NoC, που υποστηρίζει εικονικά κανάλια. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική αφαιρεί την ανάγκη για αυστηρή τοποθέτηση των στοιχείων του NoC και επιτρέπει να διασκορπιστούν σε όλο το ολοκληρωμένο κύκλωμα, ανεξάρτητα από την τοπολογία του δικτύου. Αυτή η λειτουργία μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος είτε για την επίτευξη υψηλότερων συχνοτήτων ρολογιού. Οι νέες μικρο-αρχιτεκτονικές και η μεθοδολογία απλούστευσης της διαδικασίας σύνθεσης του κυκλώματος διάδοσης του ρολογιού συμπληρώνονται από μία πλήρως αυτοματοποιημένη μέθοδο που παράγει κατάλληλα μοτίβα κίνησης και δεδομένων που προκαλούν τη μέγιστη κατανάλωση ισχύος στο NoC. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνουμε τη ρεαλιστική εκτίμηση της μέγιστης κατανάλωσης ισχύος ενός NoC η οποία επηρεάζει άμεσα και άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά του συστήματος, όπως η μέγιστη επιτρεπτή συχνότητα ρολογιού, το κόστος υλοποίησης, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας και η αξιοπιστία.