三维片上网络架构方法技术

本发明专利技术提出了一种三维片上网络架构方法，其网络结构由水平面方向的Ｄｅ　Ｂｒｕｉｉｎ图网络和垂直方向的柱状结构组成的三维网络，网络中的节点，大部分是由处理单元和路由单元两种功能模块组成（甲类节点）且处理单元与路由单元（Ｒｏｕｔｅｒ）是通过数据单向连线连接，其余是只有交换单元（乙类节点）；本方法充分发挥Ｄｅ　Ｂｒｕｉｉｎ图的优势，首先设计出最简循环路径算法，然后基于最简循环路径算法再设计出简短移位路由算法和最短移位路由算法，利用所设计出的路由算法使数据传输的平均跳数少，网络延时小，吞吐率，再利用Ｄｅ　Ｂｒｕｉｉｎ图可容错的特点设计出了避免阻塞的数据传输方法，提高了数据传输的可靠性，并且在节点中将处理单元与路由单元直接连接，因此又减数了数据传输环节。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路芯片的应用
，特别是三维片上网络的拓扑结构，网络节点结构和路由算法。
技术介绍
近年来，随着技术的发展，出现了一种新的封装形式——三维封装，即把多个裸片垂直的叠加起来并且封装成一个芯片。三维封装得到的芯片被称为三维IC，和传统的二维IC相比，它具有容量大、密度大等众多优点。因为三维NoC(Network on Chip，片上网络)的架构对网络的吞吐率、可靠性、应用层的任务映射以及芯片的面积和功耗影响很大，所以三维NoC的架构方案是实现三维NoC最基本、最重要的一个环节。三维NoC的架构一般由网络的拓扑结构、网络节点的结构以及路由算法三方面组成。网络架构中的基本单元是网络节点，网络节点是由一般由处理数据的处理单元和传输数据的路由单元构成，多个网络节点的连接方式形成网络拓扑结构，各节点之间信息交流的途径是由路由算法直接决定的。网络拓扑结构决定了路由算法的难易和复杂程度，合理的路由算法可以提高系统的吞吐率、减小网络的平均延时、提高系统的可靠性并且降低芯片的功耗和面积。通过查新和广泛收集文献资料，我们发现已经公开的三维NoC方法有如下几类：参考文献Partha Pratim Pande，Amlan Ganguly，Brett Feero，et.al，Applicability of EnergyEfficient Coding Methodology to Address Signal Integrity in 3D NoC Fabrics，13th IEEEInternational On-Line Testing Symposium，2007.Page(s)：161-166和参考文献Brett Feero，Partha Pratim Pande，Performance Evaluation for Three-Dimensional Networks-On-Chip，IEEEComputer Society Annual Symposium on VLSI，2007.Page(s)：305-310给出了采用三维Mesh结构的单一拓扑方法，这类结构将三维的网络作为一个整体，采用Mesh网络进行连接，每个节点都与六个方向的节点连接。这种结构中，网络地址是三维坐标(x，y，z)构成。采用维序路由算法，数据包依次在x轴、y轴和z轴上传递到目的坐标。因为Mesh结构具有拓扑简单的优点，所以这种架构的优点是网络结构与路由算法简单，但是由于Mesh结构的网络直径大，以及路由算法没有容错性，一旦网络拥塞，数据包无法重新选择一条新的路径，只能阻塞等待，因此数据包在这类架构中传递时平均跳数较多，网络延时较大，吞吐率较低。参考文献Hiroki Matsutani，Michihiro Koibuchi，Hideharu Amano，Tightly-CoupledMulti-Layer Topologies for 3-D NoCs，2007 International Conference on Parallel Processing.Page(s)：75-75给出了在水平面方向采用Mesh结构与在垂直方向采用柱状结构相结合的分级拓扑作为三维NoC的架构，该架构中网络节点分为两类，一类(甲类)由处理单元和路由单元构成，但处理单元与路由单元之间没有连接，只是它们的地址是相同的，另一类(乙类)由只有交换单元，平面网络采用Mesh结构作为拓扑，垂直网络采用柱状结构进行连接，每个柱状结构有且只有一个乙类节点。每个甲类节点的路由单元除与其所在平面的四个方向上相临的4个甲节点连接外，只与该节点所在柱状结构的乙类节点连接，甲节点地址用水平面网络的编号和垂直方向的坐标点构成二维地址，同一个柱状结构里的节点的甲类节点的水平编号是相同的。由于甲类节点的处理单元和路由单元之间没有连接，数据传输的路由只能是是：数据包首先在源节点所在的柱状结构里传递，然后在水平的Mesh网络中传递到目标节点的所在的柱状结构的节点上，再在目标节点的所在的柱状结构传递到目标节点的处理单-->元里。由于这种架构也是以Mesh结构为基础的，所以具有数据包平均跳数较多、网络延时较大、无法自适应容错等缺点，另外，节点的处理单元和路由单元没有直接相连，因此数据传递环节较多，但由于柱状结构使得垂直方向的跳数变少，因此它有较高的吞吐率。参考文献Horiguchi，S.；Ooki，T.；Hierarchical 3D-Torus Interconnection Network，International Symposium on Parallel Architectures，Algorithms and Networks，2000.Page(s)：50-56给出了三维Torus结构的构造方法，即由多个三维Mesh网络以Torus结构的方式构成的层次化的三维Torus结构。因为Torus结构只是对Mesh结构进行了简单的扩展，仍然具有Mesh结构的特性，网络节点结构与路由算法也是对Mesh结构算法进行了继承与简单改进，所以也具有网络延时较大、吞吐量较低的缺点。几乎现有三维NoC架构都是基于Mesh结构的，而De Bruijn图结构具有网络直径小、节点度固定、路径灵活等优点，因此可以利用这些优点来设计更好的路由算法和数据传输方式以提高数据传输效率和吞吐率，但De Bruijn图作为网络结构目前只在二维NoC上实现并应用，参考文献Mohammad Hosseinababy，Mohammad Reza Kakoee，Jimson Mathew，et.al，Reliable Network-on-Chip Based on Generalized de Bruijn Graph，IEEE International HighLevelDesign Validation and Test Workshop，2007.Page(s)：3-10就是介绍的用De Bruijn图作为二维NoC的架构方法。在De Bruijn图拓扑结构中，如果两个节点相邻，则它们的地址编号i和j必须满足下列任一公式：i＝(d*j+r)mod n，r＝0，1，...，d-1j＝(d*i+r)mod n，r＝0，1，...，d-1其中，n为节点数，d为地址编号的进制。上式表明任一节点的二进制地址左移或右移，再补充一个比特r，则得到相邻节点的地址。例如，De Bruijn图的节点数为16，地址编号的进制为2时，节点2(0010b)与节点9(1001b)是相邻的，此时i＝2，j＝9，r＝0。
技术实现思路
为了兼顾复杂度、吞吐率和可靠性问题的综合性能，本专利技术提出一种将De Bruijn图作为水平面方向的网络结构而垂直方向采用柱状结构的三维NoC架构方法。为了便于描述，首先对一些术语进行定义：水平编号、Z坐标：首先假设一个用X、Y、Z表示三个坐标轴的三维坐标，其中X和Y所组成的平面为水平面，，Z轴为垂直方向，即水平层的重叠方向。Z坐标的取值就是水平面的次序对应，比如第i水平面的节点的Z坐标就是i，而同一个水平面上的节点是用编号来区分的，该编号就是水平编号。源节点：发出数据包起始节点。目标节点：数据包最本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维片上网络架构方法，包括网络结构、网络节点的组成和路由计算方法，有的网络节点是甲类，还有的网络节点是乙类，网络拓扑结构由水平方向网络和垂直方向网络构成三维网络，其特点在于：由路由单元和处理单元组成的节点中的路由单元与处理单元之间有单向数据线连接；网络拓扑结构由水平方向网络和垂直方向网络构成，水平方向的节点连接网络采用Ｄｅ　Ｂｒｕｉｊｎ拓扑结构，垂直方向由Ｍ个柱状结构组成，Ｍ是水平面上的节点数，每个柱状结构是由每层水平网络上水平编号相同的甲类节点与某一层中的乙类节点连接在一起而成的星型网络，垂直方向的每个柱状结构有且只有一个乙类节点，即网络中每个甲类节点都与一个且只与一个乙类节点相连接，一个乙类节点将与Ｎ个甲类节点连接；数据包传递过程如下：　步骤１、源节点处理单元的数据包首先传递到源节点路由单元里；　步骤２、源节点路由单元判断目标节点与源节点的水平编号是否相同，如果相同，直接进入步骤４，否则，则先进入步骤３；　步骤３、源节点路由单元利用路由计算方法计算出从源节点到与目标节点有相同水平编号且与源节点具有相同Ｚ坐标的中转节点的路由路径，然后数据包通过该路由传递到中转节点的路由单元，中转节点与目标节点在同一个柱状结构里；　步骤４、数据包从源节点或步骤３中所述的中转节点传递到与源节点或中转节点同在一个柱状结构里的交换单元，然后再从交换单元直接传递到目标节点的处理单元。...

【技术特征摘要】
1、三维片上网络架构方法，包括网络结构、网络节点的组成和路由计算方法，有的网络节点是甲类，还有的网络节点是乙类，网络拓扑结构由水平方向网络和垂直方向网络构成三维网络，其特点在于：由路由单元和处理单元组成的节点中的路由单元与处理单元之间有单向数据线连接；网络拓扑结构由水平方向网络和垂直方向网络构成，水平方向的节点连接网络采用De Bruijn拓扑结构，垂直方向由M个柱状结构组成，M是水平面上的节点数，每个柱状结构是由每层水平网络上水平编号相同的甲类节点与某一层中的乙类节点连接在一起而成的星型网络，垂直方向的每个柱状结构有且只有一个乙类节点，即网络中每个甲类节点都与一个且只与一个乙类节点相连接，一个乙类节点将与N个甲类节点连接；数据包传递过程如下：步骤1、源节点处理单元的数据包首先传递到源节点路由单元里；步骤2、源节点路由单元判断目标节点与源节点的水平编号是否相同，如果相同，直接进入步骤4，否则，则先进入步骤3；步骤3、源节点路由单元利用路由计算方法计算出从源节点到与目标节点有相同水平编号且与源节点具有相同Z坐标的中转节点的路由路径，然后数据包通过该路由传递到中转节点的路由单元，中转节点与目标节点在同一个柱状结构里；步骤4、数据包从源节点或步骤3中所述的中转节点传递到与源节点或中转节点同在一个柱状结构里的交换单元，然后再从交换单元直接传递到目标节点的处理单元。2、据权利要求1所述的三维片上网络架构方法，其特征在于：第3步中，数据包在路由中的各节点传递过程中，要排除不可靠链路，其方法如下：每个节点收到数据包后都要检测从本节点到下一个节点的路由单元的链路是否拥塞或不可靠，如果某节点检测出到下一个节点的链路拥塞或不可靠，且下一个节点不是中转节点，则转入步骤a，如果某节点检测出到下一个节点的链路拥塞或者不可靠，且下一个路由单元是中转节点的路由单元则转入步骤b；步骤a：将所述的某节点作为新的源节点，再由新的源节点按照容错要求用某种路由算法重新计算新的源节点到中转节点的路由，完毕；步骤b：所述的某节点将数据包传递给与所述的某节点具有相同水平编号的交换单元，然后由该交换单元将数据包送给除了所述的某节点所在水平面之外的任一水平面上和交换单元具有相同水平编号节点的路由单元，最后由该路由单元将数据包送给所选水平面上与原中转节点具有相同水平编号的新的中转节点，完毕。3、据权利要求1或权利要求2所述的三维片上网络架构方法，其特征在于：所述某种路由计算方法可以是简短移位路由算法，所述的算法简短移位路由算法为：先分别利用左最简循环路径算法和右最简循环路径算法计算出左路径和右路径，然后在左路径和右路径两者之间选择出最短的路径作为最终计算所得到的路径；所述的左最简移位路径算法为：步骤1、将源节点的水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亦欧，胡剑浩，凌翔，符初生，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]