本发明专利技术公开了一种基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法，包括下述步骤：S1、利用网络编码优化设计片上网络，根据多核芯片复杂组播行为的网络性能要求，以支持片上网络基本组件的方式，计算出各核心的物理位置，以最小的硬件和能力消耗满足多核芯片间的通信性能要求；S2、在现有芯片的互连体系结构中，将复杂网络通信拓扑结构进行分解。本发明专利技术利用信息流的方法对多组播拓扑进行分解，解决目标函数的稀疏优化问题，实现多组播网络在片上网络现有的拓扑结构总的性能优化,为片上网络的设计提供新的方法和思路，对于提高片上网络和众核芯片的性能、降低功耗具有重要的理论和实践意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及网络路由器的研究领域，特别涉及一种基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法。
技术介绍
随着半导体工艺的持续发展，单一芯片容纳晶体管的数量不断增加，集成电路迈入了多核(multiple-core)或者众核(many-core)时代。核心依靠片上网络(Network-on-Chip or NoC)连接在一起，通过并行运算来提高芯片的整体性能。目前，众核芯片已经实现了大量的商业应用。例如：Intel 48核的云计算机单芯片云计算机“single-chip cloud computer”和Tilera 72核的TILE-Gx72单芯片。这些芯片广泛地应用于超级计算、云计算、大数据等系统中。众核芯片的规模和并行度不断增大，核心之间的可靠互连和通信变得越来越困难，总线和点对点的互连方式逐渐不能满足片上互连的性能和可扩展的需要，人们提出了基于包交换的片上网络方式。众核芯片的应用不断增加，芯片中核心之间的并行协作日益紧密，相互之间传输的数据量不断加大，需要支持更为复杂的网络行为。此外，复杂多组播(multi-session multicast)通信在众核芯片中应用也非常频繁，例如：Cache一致性和传输共享数据等。这些因素增加了片上网络的通信量，造成了网络拥塞，降低了片上网络的性能，增加了整个芯片的功耗。人们急需新的片上网络设计以提高性能和能耗效率。片上网络概念的提出是在2000年左右，借鉴宏观计算机网络包交换的数据传输形式和共享物理通道的结构方式，支持以“微片(flit)”为单位的传输模式。1999年，美国麻省理工大学的Raw微处理器将静态和动态两套通信网络相结合，共同实现多个处理器核心的协同和通信；Guerrier和Greiner于2000年提出了基于胖树(fat-tree)结构和包交换SPIN片上网络结构。2001年，Dally和Towles分析了片上系统硬件资源的特点，提出了一个通用NoC模型，从而证明了片上网络在解决SoC互连的可行性；同年，Benini和Micheli提出NoC的层次化构造模型。随后，研究者们在片上网络领域展开了广泛研究，提出了一系列的片上网络结构，较有影响的有：英国曼彻斯特大学的CHAIN和SpiNNaker，
意大利Bologna大学和美国斯坦福大学的XPIPES，飞利浦公司的AETHEREAL，瑞典皇家理工学院的NOSTRUM，法国UPMC大学的SPIN，以及丹麦理工大学的MANGO等。随着多核处理器和共享数据应用的发展，更为复杂的网络行为，例如组播(multicast)，成为片上网络设计的重要考虑因素。片上网络的数据传输主要有单播(unicast)传输和组播传输。组播可以用多个单播操作来实现，但是效率十分低。研究者们在组播片上网络方面做了大量研究，提出了多种支持组播的NoC架构和组播优化算法。Merolla等人提出了一种支持组播的树形路由器，可以通过在子树(subtree)中循环广播的方式实现组播。Stefan等人提出了一种分时复用的片上网络架构，支持QoS、组播和高效的连接建立机制。Abad等人提出了一种支持组播的新路由机制，利用自适应树的组播方法保证组播的正确传输而无需路由的限制，因此提高了CMP组播的性能。Samman等人提出了一种无需虚拟通道就可以实现无死锁的组播，NoC的路由器支持以下功能：如果某些数据包被阻塞了，其它数据包的微片可以插入到它们之前，从而避免死锁。尤志强等人提出了基于BFT型的片上网络提出了一种组播路由协议和节点编码设计方案，用来完成对相同核的组播测试，降低了测试应用时间。网络编码的概念第一次是由Ahlswede等人于2000年提出来的。它是一种网络数据传输方式，扩展了传统路由的概念和功能。在传统的基于路由的网络中，网络节点(路由器、交换机等)只执行数据的转发和复制两项操作；而在使用了网络编码之后，网络节点能够对接收到的数据进行任意的编码操作(如线性变换等)，再将编码结果复制或转发。与传统网络相比，网络编码的优势主要体现在组播应用中，可以提升吞吐率，实现有向网络(directed networks)的组播容量(multicast capacity)。网络编码一经提出便引起了国际学术界的广泛关注，其理论和应用已成为网络和通信领域研究的新热点。网络编码的引入给网络带来一定的额外消耗，如额外的编码操作、复杂的路由器、较大的缓存。在网络编码中，需要在满足吞吐率的前提下，尽量使用简单的运算，较小的有限域，并且减少编码节点的数量。对于给定的网络拓扑结构，寻找最小的有限域来达到网络容量是有NP难度的。C.Fragouli andE.Soljanin在《Information flow decomposition for network coding》中证明有限域的大小与目标节点的数目密切相关，并且给出了一个最小有限域的上界。相类似的，寻找最少的编码节点数也是有NP难度的。M.Langberg,A.
Sprintson,and J.Bruck在《The encoding complexity of network coding》中首先将一般的网络转换为所谓的简单网络。使用简单网络的方法，在无环和有环的网络下分别得出了编码节点数的上、下界。C.Fragouli and E.Soljanin利用贪婪算法，提出了一个新的网络信息流模型来研究编码节点和编码边数目的优化。编码节点、编码边优化还可以应用遗传算法(genetic algorithm)。M.Kim,C.W.Ahn,M.Médard,and M.Effros在《On minimizing network codingresources:An evolutionary approach》中首次考虑采用遗传算法优化编码边数。对于染色体的编码，首先将网络G转换为对应的线图G’。对于每一种编码方案，将对应的线图G’所有边上编码系数组成的比特向量作为染色体编码。用编码边的数量作为染色体的适应值。初步的仿真结果表明，应用遗传算法的结果优于贪婪算法。Texas A&M University的研究团队2006年第一次提出将网络编码应用于集成电路互连领域。Jayakumar、Khatri和Gulati等人在ASIC总线中应用网络编码技术，降低能耗7％～8.5％，减少互连总线长度和面积6％～10％。随后，他们将网络编码的应用拓展到FPGA互连领域，取得了不错的效果。该研究团队还设计了一种支持网络编码的双向总线，网络编码技术可以利用一条双向总线实现两条单向总线的带宽，节约49％的总线资源和11％的总线能耗。2011年，Indrusiak第一次将网络编码的概念运用于片上网络中，探讨其在NoC组播通讯中的潜在优势。文章从数据包传输的跳数(hops)的角度，比较network coding与XY routing传输所需要hop的总数，初步论证了将networkcoding应用到NoC中的优势。分析表明，网络编码可以减少10％～22％的传输跳数。Thuan等人从硬件实现方面，将网络编码应用于CMP中，设计了支持网络编码的路由器，证明在一个9核的CMP中，网络编码可以大大降低网络延时本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、利用网络编码优化设计片上网络，根据多核芯片复杂组播行为的网络性能要求，以支持片上网络基本组件的方式，计算出各核心的物理位置，确定各核心之间的互连拓扑，确定网络编码路由器的个数和插入位置，定义数据链路的带宽参数，以最小的硬件和能力消耗满足多核芯片间的通信性能要求；S2、在现有芯片的互连体系结构中，将复杂网络通信拓扑结构进行分解，确定哪些节点可以利用数据编码提升性能，确定中间源节点和中间目的地节点的位置，生成新的通信拓扑结构。
【技术特征摘要】
1.基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、利用网络编码优化设计片上网络，根据多核芯片复杂组播行为的网络性能要求，以支持片上网络基本组件的方式，计算出各核心的物理位置，确定各核心之间的互连拓扑，确定网络编码路由器的个数和插入位置，定义数据链路的带宽参数，以最小的硬件和能力消耗满足多核芯片间的通信性能要求；S2、在现有芯片的互连体系结构中，将复杂网络通信拓扑结构进行分解，确定哪些节点可以利用数据编码提升性能，确定中间源节点和中间目的地节点的位置，生成新的通信拓扑结构。2.根据权利要求1所述的基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法，其特征在于，步骤S1具体为：假设每增加一个节点需要增加花费α，对于给定的两个节点i和j，假设建立一条单位容量的信道花费为βdij，其中dij是节点i和j的距离，需要设计一个满足组播业务需求的，花费最小的拓扑结构G(V,E)，其中V是节点集，E是信道集，用表示所有的中间节点，也就是说该优化问题可以被归纳为：给定条件：●一组或者多组源节点以及目标节点的位置；●组播业务需求；●α和β的取值；优化目标：设计参数：●中间节点的数目以及位置；●所有节点直接的信道连接；满足条件：●至少存在一种网络编码的方案来实现组播业务的需求。3.根据权利要求2所述的基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法，其特征在于，在所述满足条件中，还包括下述条件：●传输延时不超过设计最大限；●传输跳跃数不超过设计最大限。4.根据权利要求2所述的基于芯片设计流程和应用设计流程的片上网络编码优化方法，其特征在于，步骤S2具体为：对于给定的源节点、目的地节点以及信息传输要求，优化算...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘怡俊，谢建群，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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