应用射频互连的低功耗专用片上网络体系结构综合研究

This subject proposes an architecture synthesis method for the application-specific network-on-chips (NOC) for the first time. It proposes the integration of the application-specific NOC topology design, Radio Frequency(RF) Interconnect planning and floorplanning in the physical design to assign the RF Interconnect in the application-specific NOC topolgy, explore the architecture design space of application-specific NOC with RF Interconnect, and evaluate the performance, power, and chip area for the application-specific NoC. The subject will lay the foundation of the design methodology for the next generation high-performance low-power application-specific NoCs.. The main contributions of this subject are: (1) Propose a three-stage synthesis method for the application-specific NoC arcthitectures: Clustering IP cores and floorplanning, RF Interconnect planning, and communication path planning between IP cores; (2)Propose an integrated IP core clustering and floorplanning method with consideration of RF Interconnect planning and the path planning between IP cores; (3) Propose a RF Interconnect planning method to reduce the power and area of NoC by making use of the characteristics of the RF interconnect, e.g., high-speed, low energy, intrinsic multicast, reconfigurablility, etc.; (4)Propose a method to design reconfigurable application-specific NoC topologies with a fine granularity.

本课题首次提出应用射频互连的专用片上网络体系结构的设计优化方法，采用把专用网络体系结构设计中的网络拓扑设计、射频互连规划及集成电路物理设计中的布图规划相结合的方式，在专用片上网络拓扑结构中规划射频互连，高效探索应用射频互连结构的专用片上网络体系结构设计空间,评估专用片上网络的性能、功耗及芯片面积，为下一代高速低功耗专用片上网络设计奠定方法学基础。. 本课题的研究成果主要贡献将有：（1）提出三阶段专用片上网络体系结构的综合方法：IP核的聚类和布图规划、射频互连规划、IP核间路径规划；（2）提出射频互连规划及IP核路径规划驱动的IP核聚类和布图规划方法；（3）提出射频互连规划方法，利用射频互连具有的高速、低能耗、多播、可重构特性优化网络拓扑结构，降低专用片上网络功耗及面积设计指标；（4）提出基于射频互连的细粒度可重构专用片上网络拓扑结构设计方法。

随着半导体工艺技术的发展，单个芯片上集成的IP核的数量已经得到了快速增长，使得片上系统互连结构变得异常复杂。于此同时，基于总线的传统通信架构已经不能满足片上系统的性能需求。与基于总线的通信架构相比，片上网络具有可预测性和可扩展性等优势，逐步成为解决片上系统全局互连与通信问题的有效方案。对于包含众多大小各异的IP核的异构片上系统而言，相关数据已经表明，专用片上网络与规整片上网络相比较具有功耗、面积和性能优势。. 本项目的重点是研究专用片上网络拓扑自动生成算法。专用片上网络拓扑生成问题是一个NP困难问题。由于专用片上网络拓扑结构是针对具体应用的带宽需求和通信延迟约束来设计的，因此，专用片上网络缺乏灵活性。很多研究者提出了在专用片上网络设计中引入动态可重构技术来实时动态改变片上网络拓扑结构来满足不断变化的通信需求。基于此，本项目提出利用射频互连技术的动态可重构特性和高带宽特性，将射频互连技术集成到专用片上网络设计中以此来实现动态可重构专用片上网络拓扑结构。由于射频互连的高带宽特性，此方法生成的动态可重构特性适用于高带宽需求的应用，尤其是深度学习相关的应用。本项目提出了四阶段的拓扑生成方法，分别完成布图规划和IP核的聚类问题的集成求解、片上交换机和网络接口的布局、路径分配和射频互连通道的分配问题的集成求解和对射频互连布线优化。.实验结果表明，针对某一特定应用，相比较于传统的静态（不重构）专用片上网络，本项目提出的动态可重构片上网络拓扑生成方法能够在一定的重构时间代价下极大地改善功耗代价。对于具有高带宽通信需求的应用，通过引入射频互连技术，能够使片上网络的功耗降低20%~26%。. 本项目探索了射频互连在专用片上网络中的应用，配合射频互连技术的发展，项目成果有望为深度学习等高带宽、高性能需求的应用，提供专用片上系统互连设计方案，部分成果也可应用于基于无线路由器的片上网络拓扑设计。