混合型三维片上网络中基于热/流感知的散热管理机制研究

Aiming at the critical thermal issues on 3D Network on Chip (NoC), this project focuses on the research of the thermal management scheme for hybrid 3D NoC from the system-level design stages on topology, mapping and routing algorithm, which can used to optimize the thermal performance and guarantee the traffic performance. A modified method for TSV based 3D NoC thermal model is proposed to improve evaluation accuracy. Considering the characteristics of the heterogeneous hierarchical network and the vertical bus, a thermal- and traffic-aware hybrid 3D topology design method is proposed, which can optimize the thermal distribution under the communication delay constraint. In order to minimize the peak temperature directly, a thermal- and traffic-aware task allocation and mapping algorithm is proposed, which can avoid the hot spots and meet the bandwidth requirements. Using the traffic detection based thermal-aware approach, a thermal- and traffic-aware dynamic routing algorithm adapting the different temperature environment is proposed. Finally, in order to evaluate the comprehensive thermal and traffic performance accurately and rapidly, a traffic and thermal mutual-coupling hardware-software simulation framework is proposed.

针对三维片上网络突出的散热问题，在混合型三维NoC的拓扑结构、映射布局、路由算法等系统级设计各阶段，研究"以保证通信性能为前提优化散热性能（热/流感知）"的散热管理机制。研究具有TSV特性的三维NoC热传导模型修正方法，以提高温度评估的精确性；结合异构分层网络和垂直总线的特点，研究基于热/流感知的混合型三维NoC拓扑结构设计方法，在保证延时性能的前提下均衡芯片内部的热量分布；以峰值温度最小化为直接优化目标，研究热/流感知的任务分配和映射算法，在满足通信带宽需求的前提下避免出现局部热区；以基于流量监测的热感知为基础，研究热/流感知的动态路由算法，设计阶段式协同路由策略，兼容不同温度条件下的通信需求；综合考虑三维NoC通信与散热性能的仿真验证需求，研究基于热/流互耦的软硬协同仿真方法，实现混合型三维NoC热/流指标的全面及精确快速评估。

项目针对三维片上网络的散热问题，以保证通信性能为前提，优化散热性能为目标，围绕三维NoC热传导模型、混合型拓扑结构、任务分配和映射算法、动态路由散热管理以及热/流互耦仿真方法等展开研究。本项目的主要研究成果如下：.热传导模型研究中，以为动态散热管理机制提供精确的实时温度为目标，结合热电二象性，提出了基于流量监测的温度感知模型及间接实时温度感知方法；以傅里叶定律为基础，提出了一种基于二阶导数的温度预测模型，以提高温度预测精度并拓展温度预测窗口。.拓扑结构研究中，以实现流量均衡，降低峰值温度为目标，充分考虑三维集成工艺特征，提出了面向Bus-NoC的BTorus拓扑结构及基于动态优先级划分的分布式垂直总线。在此基础上，结合片上无线互连及光互连等新兴技术，提出了自适应混合无线NoC拓扑结构、基于功耗-干扰协同优化的无线混合非规则专用拓扑生成方法及基于加速网的光电混合三维片上网络构建方法。.在任务映射方面，以有效利用三维集成电路垂直方向连线较短、传输功耗较低的特性为出发点，提出了一种基于遗传算法，兼顾流量和能耗的任务映射方法；基于3D MSP提出了一种热感知任务映射方法，以在特定的性能约束下实现温度的均衡分布；提出了一种基于簇划分的热感知任务分配算法，以综合考虑计算功耗、通信功耗及散热效果三个因素。.以实现三维片上网络的动态散热管理为目标，研究了热/流信息共享机制，提出了“本地收集，区域交换”的辅助信息传感网络构建方法、均衡区域的路径多播机制及路径优化的树多播机制；研究了基于路由的动态散热管理机制，提出了面向散热的阶段式协同路由算法及基于自适应度调整的路由散热管理机制；在此基础上，提出了垂直总线动态调频及模糊PD时钟门控等部分流量调节机制，与自适应路由协同散热。.以实现三维NoC通信性能的快速评估为目标，研究了三维NoC仿真平台的构建方法，设计了基于多FPGA的硬件仿真与验证平台，结合功耗仿真软件Orion与温度仿真软件Hotspot，形成热/流互耦的软硬协同仿真环境。