动态可重构专用片上网络架构综合关键技术研究

To improve the energy and resource efficiency of the application-specific network-on-chips based heterogeneous multi-core system-on-chips, we propose to use dynamically reconfigurable designs for both the data processing and data communication, and propose co-optimization of the reconfigurable computing architecture and on-chip communication architecture. In nano-technology, the physical design greatly affects the performance and power of the heterogeneous system-on-chips, and, hence, the earlier the ingredients of physical design are considered, the more effective the high-level architecture is optimized. The floorplanning, which is the highest abstraction level in the physical design, is the glue of the high-level design and physical design. We propose to use the floorplanning technology to integrate the designs of reconfigurable computing architecture, on-chip communication architecture and physical design for exploring the hardware architecture design space of dynamically reconfigurable application-specific network-on-chips. Based on the above philosophy, the research will be focused on two aspects: 1). Partitioning, scheduling and floorplanning of the system tasks and 2) generation of dynamically reconfigurable network topologies.

本项目针对基于专用片上网络的异构多核片上系统，在数据处理和数据通信中同时考虑动态可重构设计，并提出设计优化方法，以进一步提升系统能效及资源利用效率。在纳米工艺下，物理设计极大地影响着异构片上系统的性能和功耗，因此在架构设计中，越早引入物理设计元素的考虑，越会增加高层架构设计优化的有效性。布图规划问题作为物理设计中的最高抽象层次，成为连接高层次设计和物理设计的纽带。因此，本项目拟利用布图规划技术有效融合计算架构设计、通信架构设计以及物理设计，探索动态专用片上网络硬件架构设计空间。本项目从1)系统任务划分、调度和布图规划，2)专用片上网络动态拓扑生成等两个方面开展研究。

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动态可重构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。为了提高专用片上网络的灵活性，本项目利用动态可重构硬件设计（例如FPGA）的灵活性，在部分动态可重构FPGA硬件平台上提出动态专用片上网络拓扑生成方法，在数据计算和数据通信中同时考虑动态可重构设计以此提升系统能效。针对部分动态可重构系统设计，本项目提出了计算架构和片上网络拓扑生成方法：1）基于本项目提出的任务调度和布局表示方法——三元序列组，提出了片上网络拓驱动的集成优化架构来完成任务调度和布局规划；2）基于任务调度和布局规划的结果，提出了两种方法——基于ILP的方法和基于二分法的启发式方法，来解决通信需求的时域划分问题；3）根据通信应用系统的分时段通信需求，生成对应的片上网络拓扑结构，最小化不同时间段间的重构代价。. 实验结果表明，本项目所提出的任务调度和布局规划算法能够在保证较好调度效果的同时，提高任务布局规划的成功率。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。相比较于静态的专用片上网络，本项目提出的动态可重构片上网络拓扑降低了31.6%的功耗。