层次化片上网络拓扑结构及其路由方法技术

本发明专利技术提供一种层次化片上网络拓扑结构及其路由方法。所述层次化片上网络拓扑结构以Mesh网络作为第一层虚拟子网，全互连拓扑作为第二层虚拟子网，第一层虚拟子网间以全互连拓扑结构连接起来，构成层次化片上网络。本发明专利技术采用Mesh拓扑和全互连拓扑相结合的方法来构建层次化网络拓扑结构，将两种拓扑有机的结合在一起，能够使网络具有更好的通信性能、降低成本并提高可扩展性，实现应用通信模式与拓扑结构的匹配，达到性能、扩展性和成本三者的均衡。

Hierarchical NoC Topology and Routing Method

The invention provides a hierarchical network on chip topology structure and a routing method thereof. The hierarchical network-on-chip topology takes Mesh network as the first layer virtual subnet, the full interconnection topology as the second layer virtual subnet, and the first layer virtual subnet is connected by the full interconnection topology to form a hierarchical network-on-chip. The invention adopts the method of combining Mesh topology with full interconnection topology to construct a hierarchical network topology structure, and organically combines the two kinds of topologies, which can make the network have better communication performance, reduce costs and improve scalability, realize the matching of application communication mode and topology structure, and achieve the balance of performance, scalability and cost.

【技术实现步骤摘要】
层次化片上网络拓扑结构及其路由方法
本专利技术涉及片上网络
，尤其涉及一种层次化片上网络拓扑结构及其路由方法。
技术介绍
随着半导体器件技术的迅猛发展，集成电路的特征尺寸越来越小，芯片内部集成电路的晶体管数量越来越多。但是传统处理器的设计方法无法避免存储墙、功耗墙等问题，单核处理器的发展即将到达“摩尔定律”的瓶颈，为了突破“摩尔定律”的限制，多核乃至于众核处理器应运而生，以并行计算来提升整体性能。处理器集成的核心数量也越来越多，例如，世界排名第一的高性能处理器“神威-太湖之光”所采用的高性能处理器SW26020就是采用了260核心，AdaptevaEpiphany处理器更是高达1024核心。为了将这些处理器核连接起来，协同工作，研究人员提出了专门用于芯片内部互连的通信网络，也就是片上网络(Network-on-Chip，NoC)。如何保障众多的核心之间的高效通信就是片上网络必须解决的核心问题，多核处理器对资源和功耗等特殊限制条件要求片上网络具有更低延迟，更低功耗，高吞吐率等特征。高性能计算的应用负载普遍具有局部性特征：空间局部性和/或时间局部性。基于应用的局部通信特征能够有效利用网络带宽，缩短消息延迟，提高网络吞吐率，通信局部性对计算效率有着重要影响。因此应用的通信模式是网络设计的重要依据。Agrawal认为如果不同节点间的通信概率随着物理距离而减少则并行应用具有通信局部性，应用的通信局部性有助于提高直接网络的吞吐率并降低延迟。Johnson认为并行应用通常可利用通信局部性来实现性能增益，通信局部性依赖算法和数据与处理器的映射和分配。通信局部性使得低维网络更具有竞争力，但较低的可用带宽和较高的基本延迟也削弱了其优势，特别是对于超大规模高性能网络其可扩展性难以与规模需求相匹配。Kenneth研究发现处理器间的通信模式由两种因素决定：算法天然的通信结构和应用软件进程被映射到处理器的方法。有些应用由于结构特性，天然地导致特殊的通信模式，如果并行计算应用存在大量通信局部性，自然的应该对此加以利用以提高系统效率。例如有些流体动态计算应用对应的计算被分配在二维或三维空间，这导致物理拓扑的排列符合二维或三维Mesh(或Torus)结构。但是如果网络规模较大，二维Mesh的网络直径也将随之增加。高维度网络可有效压缩网络直径，降低通信延迟，但是代价是需要相应增加交换模块的端口数量。路由算法主要负责消息的有效传输，对于网络通信性能有着重要影响。经典的3DTorus路由算法有维序路由算法、转向控制算法和自适应路由等。网络交换机需要一定的缓冲器用来存储数据包，但是缓冲器的容量是有限的。对于那些数据包头还没有到达目的节点的报文，一方面要请求缓冲器资源，同时又要占用当前缓冲报文的缓冲器，这种通道资源的循环占用就可能产生死锁。增加虚通道构建虚拟子网，通过分离流量可有效避免死锁，但是这种方法的缺点是所需资源比较多，对于采用高维度拓扑的超大规模网络会极大增加系统成本。采用逃逸虚通道也可以避免死锁，当发生拥塞时数据包进入逃逸虚通道路由，可化解拥塞情况，其不足之处在于逃逸通道的利用率比较低。目前，国内外没有这种基于2DMesh和全互连拓扑的层次化片上网络拓扑结构及相应的路由算法。早期片上网络主要是总线形式，总线结构的局限性是多个处理器核心间不能并发通信。环形网络结构简单，基于令牌控制路由，缺点是通信距离很大。目前的片上网络主要是基于2DMesh拓扑结构进行构建，通过增加一些对角连线，或长距离链路来缩短网络直径，但是，这些拓扑结构有的需要专用的链路设置方法，有的会成为网络瓶颈，对于网络性能改善效果并不明显。有些研究采用三角形，六边形等拓扑结构，但是由于路由算法等限制，导致大规模网络通信效率较低。
技术实现思路
本专利技术提供的层次化片上网络拓扑结构及其路由方法，采用Mesh拓扑和全互连拓扑相结合的方法来构建层次化网络拓扑结构，将两种拓扑有机的结合在一起，能够使网络具有更好的通信性能、降低成本并提高可扩展性，实现应用通信模式与拓扑结构的匹配，达到性能、扩展性和成本三者的均衡。第一方面，本专利技术提供一种层次化片上网络拓扑结构，以Mesh网络作为第一层虚拟子网，全互连拓扑作为第二层虚拟子网，第一层虚拟子网间以全互连拓扑结构连接起来，构成层次化片上网络。可选地，在所述层次化片上网络中，与第i号虚拟交换机的第j号端口连接的对端交换机端口为第(i+j)号虚拟交换机的第(N+1-j)号端口，其中，N为第一层虚拟子网的端口总数，i为大于等于0的整数，j为大于0的整数。可选地，每个Mesh网络内部X、Y维度的位置信息用标号Nx、Ny表示，其中Nx∈[0，Kx-1]，Ny∈[0，Ky-1]，Kx和Ky分是Mesh网络X轴和Y轴的核心数；Mesh网络构成超级核心，超级核心间采用全互连的方式连接，标号为Ns，Ns∈[0，Kx×Ky]，(Ns,Nx,Ny)唯一表示处理器核位置信息。第二方面，本专利技术提供一种层次化片上网络拓扑结构的路由方法，包括：根据超级核心编号判断目标处理器核心所在位置是否与源处理器核心处在相同的超级核心；若是，则采取2DMesh维序路由算法路由至目的地；若否，则从全局链路端口输出；其中，源处理器核心所在位置为(Nss,Nxs,Nys)，目标处理器核心所在位置为(Nsd,Nxd,Nyd)，当前位置为(Nsc,Nxc,Nyc)，Ss和Ds分别是所在源和目标超级核心的编号；Sx和Sy分别是源处理器核心所在的超级核心内部X和Y维度的编号，Dx和Dy分别是目标处理器核心所在的超级核心内部X和Y维度的编号。可选地，所述采取2DMesh维序路由算法路由至目的地包括：按照维度长度递减的顺序遍历每个维度，每路由一步偏移量减1，在当前维度的偏移量减为0后才计算下一维度的偏移量，维序路由依次走完每个维度直至目标处理器核心。可选地，所述从全局链路端口输出包括：将数据发往与目标处理器核心直接连接的本地跳转核心；判断目标超核心编号是否比源处理器核心编号高；根据判断结果路由到本地处理器核心，然后通过全局链路路由至目标超核心，再采用最短路由算法将数据路由至目标处理器核心。可选地，所述根据判断结果路由到本地处理器核心包括：如果目标超核心编号比源处理器核心编号高，则路由到核心编号为Nxx＝(Nsd-1)/Kx且Nyx＝(Nsd-1)％Ky的本地处理器核心。可选地，所述根据判断结果路由到本地处理器核心包括：如果目标超核心编号不比源处理器核心编号高，则路由到核心编号为Nxx＝Nsd/Kx且Nyx＝Nsd％Ky的本地处理器核心。本专利技术实施例提供的层次化片上网络拓扑结构及其路由方法，采用Mesh拓扑和全互连拓扑相结合的方法来构建层次化网络拓扑结构，可有效利用高性能计算的通信局部性特征，充分发挥全互连拓扑的结构优势，有效压缩网络直径，降低通信延迟，这种层次化结构将两种拓扑有机的结合在一起，扬长避短，使网络具有更好的通信性能、降低成本并提高可扩展性，实现应用通信模式与拓扑结构的匹配，达到性能、扩展性和成本三者的均衡。附图说明图1为本专利技术实施例提供的层次化片上网络拓扑SMF拓扑结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的层次化片上网络SMF位置信息示意图；图3为本专利技术实施例提供的2DMesh维序路由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层次化片上网络拓扑结构，其特征在于，以Mesh网络作为第一层虚拟子网，全互连拓扑作为第二层虚拟子网，第一层虚拟子网间以全互连拓扑结构连接起来，构成层次化片上网络。

【技术特征摘要】
1.一种层次化片上网络拓扑结构，其特征在于，以Mesh网络作为第一层虚拟子网，全互连拓扑作为第二层虚拟子网，第一层虚拟子网间以全互连拓扑结构连接起来，构成层次化片上网络。2.根据权利要求1所述的层次化片上网络拓扑结构，其特征在于，在所述层次化片上网络中，与第i号虚拟交换机的第j号端口连接的对端交换机端口为第(i+j)号虚拟交换机的第(N+1-j)号端口，其中，N为第一层虚拟子网的端口总数，i为大于等于0的整数，j为大于0的整数。3.根据权利要求1或2所述的层次化片上网络拓扑结构，其特征在于，每个Mesh网络内部X、Y维度的位置信息用标号Nx、Ny表示，其中Nx∈[0，Kx-1]，Ny∈[0，Ky-1]，Kx和Ky分是Mesh网络X轴和Y轴的核心数；Mesh网络构成超级核心，超级核心间采用全互连的方式连接，标号为Ns，Ns∈[0，Kx×Ky]，(Ns,Nx,Ny)唯一表示处理器核位置信息。4.一种层次化片上网络拓扑结构的路由方法，其特征在于，包括：根据超级核心编号判断目标处理器核心所在位置是否与源处理器核心处在相同的超级核心；若是，则采取2DMesh维序路由算法路由至目的地；若否，则从全局链路端口输出；其中，源处理器核心所在位置为(Nss,Nxs,Nys)，目标处理器核心所在位置为(Nsd,Nxd,Nyd)，当前位置为(Nsc,Nxc,Nyc)，Ss和Ds分别是所在源和目标超级核...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏勇，万伟，李斌，
申请(专利权)人：曙光信息产业北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11