一种三维片上网络拓扑结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种三维片上网络拓扑结构设计方法，包括以下步骤：确定网络规模参数和目标应用流量特性；根据网络规模参数进行三维小世界片上网络拓扑结构的初始化，并计算相应的网络通信频率；针对单个目标应用、多个目标应用的情况，分别进行局部搜索和全局搜索，直至产生符合设计需求的设计，得到设计好的三维小世界片上网络拓扑结构。本发明专利技术利用局部搜索产生的数据，基于随机森林回归学习预测函数，并使用预测函数评估备选起始设计的搜索结果，智能地选择下一个起始设计，大大提高了搜索效率，进而产生更优的搜索结果；本发明专利技术考虑多个应用场景，通过PHV评价指标对帕累托前沿进行评估，不断改进帕累托前沿，最终产生适用于多应用场景下的设计。应用场景下的设计。应用场景下的设计。

【技术实现步骤摘要】
一种三维片上网络拓扑结构设计方法


[0001]本专利技术涉及片上网络
，具体涉及一种三维片上网络拓扑结构的设计方法。

技术介绍

[0002]片上网络(Network
‑
on
‑
Chip，NoC)是片上系统(System on Chip，SOC)中各功能模块间的通信骨干，对系统整体性能起着决定性作用。NoC设计包括网络拓扑结构、路由器结构、路由算法等，NoC的通信功能主要依赖于拓扑结构，其体现了通信节点在芯片中的布局与连接，对网络延迟性能有着很大的影响。常见的NoC拓扑结构为Mesh拓扑(网格状拓扑)，Mesh拓扑具有较好的普适性，然而，对于特定的应用场景，通用拓扑结构显然不是最好的选择。为此，研究人员基于Mesh拓扑提出了以下NoC拓扑结构设计方法：
[0003]2006年，Ogras等人在文献“Application
‑
specific network
‑
on
‑
chip architecture customization via long
‑
range link insertion”中提出，在通用的Mesh拓扑上使用贪婪搜索算法添加一定的长链路进而实现特定应用的NoC。用这种设计方法生成的NoC拓扑结构与通用Mesh拓扑相比，具有更低的平均延迟和更高的网络吞吐量；
[0004]2011年，Ganguly等人在文献“Scalable hybrid wireless network/>‑
on
‑
chip architectures for multicore systems”中提出，在Mesh拓扑上使用模拟退火算法进行NoC拓扑结构优化。与暴力的贪婪搜索相比，模拟退火算法提供了一种简单、容易实施且可扩展的搜索方式。
[0005]2015年，Das等人在文献"Small
‑
world network enabled energy efficient and robust 3D NoC architectures"中提出，基于小世界网络的3D NoC拓扑结构，称为三维小世界网络(3D SWNoC)，并基于模拟退火算法进行3D SWNoC拓扑结构优化。与传统的3D Mesh拓扑结构相比，3D SW NoC具有更低的功耗延迟积(Energy
‑
Delay Product，EDP)。
[0006]上述NoC拓扑设计方法都是基于Mesh/3D Mesh拓扑，然而，这些设计方法所采用的优化算法为传统的贪婪搜索、模拟退火算法，无法智能地进行设计空间探索，效率低下、优化结果不佳。此外，这些设计方法都只针对一个应用场景进行优化，所产生的拓扑结构具有一定的局限性。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对上述方法存在的效率低下、优化效果差及产生拓扑结构的局限性，提供了一种三维片上网络拓扑结构的设计方法，考虑多个应用场景进行拓扑结构的优化，降低拓扑结构延迟，改善吞吐量，提高整体性能。
[0008]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种三维片上网络拓扑结构设计方法，包括以下步骤：
[0010]确定网络规模参数和目标应用流量特性；
[0011]根据网络规模参数进行三维小世界片上网络拓扑结构的初始化，并计算相应的网
络通信频率；
[0012]针对单个目标应用、多个目标应用的情况，分别进行局部搜索和全局搜索，直至产生符合设计需求的设计，得到设计好的三维小世界片上网络拓扑结构。
[0013]进一步地，所述确定网络规模参数和目标应用流量特性，包括：
[0014]网络规模参数包括网络通信节点数N、网络层数T和链路总数L；目标应用流量特性为运行目标应用时网络中各通信节点之间的通信量；目标应用可以为单个也可以为多个。
[0015]进一步地，初始化后的三维小世界片上网络在平面层上采用小世界连接方式，在垂直方向上通过TSV进行层间连接；根据目标应用流量特性，计算相应的网络通信频率f
ij
；f
ij
表示网络通信节点i和j之间的通信频率，i,j表示不同的通信节点。
[0016]进一步地，针对单个目标应用进行局部搜索，包括：
[0017]对于单个目标应用的情况，从起始设计开始，使用贪婪搜索算法从邻近设计中随机选取一部分进行遍历，搜索使设计目标值O最小化的最优邻近设计；
[0018]所述设计目标值O定义为：
[0019][0020]其中，N为网络通信节点数，m为路由器阶段数，h
ij
为网络通信节点i和j之间的跳数，d
ij
为网络通信节点i和j之间的通信距离，f
ij
为网络通信节点i和j之间的通信频率。
[0021]进一步地，针对多个目标应用进行局部搜索，包括：
[0022]为解决这种多个设计目标情况下，不同设计无法比较的情况，引入以下概念：
[0023]非支配设计，在最小化设计目标情况下，若设计A，B满足：O
m
(A)≤O
m
(B)；且O
n
(A)＜O
n
B，则设计B受A支配；帕累托前沿，帕累托前沿由所有设计中的非支配设计组成；PHV值，PHV是目标空间中帕累托前沿所围成的超容量；其中，O
m
(A)、O
m
(B)分别表示在设计目标O
m
下设计A的设计目标值、设计B的设计目标值；所述目标空间由设计目标值的所有可能取值组成；
[0024]在多个目标应用的情况下，从起始设计开始，从邻近设计中随机选择一部分进行遍历，搜索帕累托前沿的PHV值的最优值。
[0025]进一步地，所述邻近设计指从起始设计出发，对拓扑结构中平面链路进行一次置乱后得到的设计；所述一次置乱的具体操作为断开一条平面链路，并重新连接相同长度的平面链路；
[0026]进一步地，所述全局搜索，包括：
[0027]循环所述的局部搜索，直至设计目标值、帕累托前沿的PHV值不再优化，则更新全局最优设计、全局帕累托前沿；
[0028]其中，在单个目标应用下，通过不断局部搜索，得到最优邻近设计及对应的设计目标值O；首次执行完局部搜索时，将全局最优设计初始化为得到的最优邻近设计；后续的每一次循环过程中，如当前邻近设计的设计目标值O优于全局最优设计的设计目标值，则将全局最优设计更新为当前邻近设计；
[0029]在多个目标应用下，通过不断局部搜索，得到最优PHV值时的帕累托前沿；首次执行完局部搜索时，将全局帕累托前沿初始化为首次局部搜索得到最优PHV值时的帕累托前沿；后续的每一次循环过程中，将当前的循环中的帕累托前沿与当前的全局帕累托前沿合
并，得到更新后的全局帕累托前沿。
[0030]进一步地，所述局部搜索还包括：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维片上网络拓扑结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确定网络规模参数和目标应用流量特性；根据网络规模参数进行三维小世界片上网络拓扑结构的初始化，并计算相应的网络通信频率；针对单个目标应用、多个目标应用的情况，分别进行局部搜索和全局搜索，直至产生符合设计需求的设计，得到设计好的三维小世界片上网络拓扑结构。2.根据权利要求1所述的三维片上网络拓扑结构设计方法，其特征在于，所述确定网络规模参数和目标应用流量特性，包括：网络规模参数包括网络通信节点数N、网络层数T和链路总数L；目标应用流量特性为运行目标应用时网络中各通信节点之间的通信量；目标应用可以为单个也可以为多个。3.根据权利要求1所述的三维片上网络拓扑结构设计方法，其特征在于，初始化后的三维小世界片上网络在平面层上采用小世界连接方式，在垂直方向上通过TSV进行层间连接；根据目标应用流量特性，计算相应的网络通信频率f
ij
；f
ij
表示网络通信节点i和j之间的通信频率，i,j表示不同的通信节点。4.根据权利要求1所述的三维片上网络拓扑结构设计方法，其特征在于，针对单个目标应用进行局部搜索，包括：对于单个目标应用的情况，从起始设计开始，使用贪婪搜索算法从邻近设计中随机选取一部分进行遍历，搜索使设计目标值O最小化的最优邻近设计；所述设计目标值O定义为：其中，N为网络通信节点数，m为路由器阶段数，h
ij
为网络通信节点i和j之间的跳数，d
ij
为网络通信节点i和j之间的通信距离，f
ij
为网络通信节点i和j之间的通信频率。5.根据权利要求1所述的三维片上网络拓扑结构设计方法，其特征在于，针对多个目标应用进行局部搜索，包括：为解决这种多个设计目标情况下，不同设计无法比较的情况，引入以下概念：非支配设计，在最小化设计目标情况下，若设计A，B满足：非支配设计，在最小化设计目标情况下，若设计A，B满足：且则设计B受A支配；帕累托前沿，帕累托前沿由所有设计中的非支配设计组成；PHV值，PHV是目标空间中帕累托前沿所围成的超容量；其中，O
m
(A)、O
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈嘉松，熊晓明，蔡述庭，高怀恩，詹瑞典，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：