基于數(shù)據(jù)重傳的電壓島NoC能量?jī)?yōu)化

顓孫宗亮，李克秋＊

（大連理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，片上系統(tǒng)（system on chip，SoC）未來(lái)可能會(huì)包含幾十個(gè)或上百個(gè)IP（intellectual property，IP）核.傳統(tǒng)的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能滿足未來(lái)片上系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)可擴(kuò)展性、靈活性和能量有效性的要求［1］.采用路由和包交換技術(shù)的片上網(wǎng)絡(luò)（network on chip，NoC）已經(jīng)在多處理器片上系統(tǒng)中廣泛采用［2］.在片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，系統(tǒng)能耗變成NoC 研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，為了降低系統(tǒng)能耗，Ogras等在NoC 系統(tǒng)機(jī)制中引入了電壓島的概念［3］，他們把NoC 系統(tǒng)劃分成不同的電壓頻率區(qū)域（島），使每個(gè)核能調(diào)整自己所屬的電壓，讓整個(gè)系統(tǒng)能更好地降低能耗.

Jang等在混合時(shí)鐘FIFO（mixed clock FIFO，MCFIFO）和不同電壓轉(zhuǎn)化器（voltage level converter，VLC）的路由器能量消耗基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電壓島分配和靜態(tài)電壓分配方案［4］.他們?cè)诟兄妷簫u的情況下，設(shè)計(jì)出基于電壓島的能量消耗優(yōu)化框架，有效地減少了復(fù)雜路由器的個(gè)數(shù)，從而有效降低NoC 系統(tǒng)的能耗.文獻(xiàn)［5］描述在可靠性約束下的能耗NoC 映射問(wèn)題，利用禁忌搜索的優(yōu)化方法來(lái)降低系統(tǒng)能耗.文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)一種基于量子粒子群的電壓島劃分算法，降低了NoC系統(tǒng)的能耗.文獻(xiàn)［7］利用混線性規(guī)劃方案解決IP映射與電壓島劃分問(wèn)題，提出一個(gè)基于貪婪的啟發(fā)式算法解決此類問(wèn)題.

以上方案是在NoC 支持電壓島（voltagefrequency island，VFI）的體系結(jié)構(gòu)下來(lái)進(jìn)行能耗的優(yōu)化.然而在NoC 系統(tǒng)中，片上網(wǎng)絡(luò)互連線上的誤碼是由于片上各種干擾源如電源干擾、電磁干擾等引起的.數(shù)據(jù)誤碼率計(jì)算公式可以由文獻(xiàn)［8］得到.可以看出，供應(yīng)電壓（supply voltage）對(duì)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率有很大的影響，在其他條件同等的情況下，路由器供應(yīng)電壓越低，其數(shù)據(jù)傳輸誤碼率越高.比如在噪聲δ＝0.2的情況下，電壓為1 V 和1.6V 數(shù)據(jù)誤碼率分別為6.2×10－3和3.16×10－5，相差將近200倍.

數(shù)據(jù)接收端的處理節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤后，要求數(shù)據(jù)發(fā)送端的處理節(jié)點(diǎn)必須重新發(fā)送數(shù)據(jù).在滿足IP核計(jì)算周期和通信帶寬的情況下，電壓島供應(yīng)電壓越低，系統(tǒng)能耗越低.

然而路由器供應(yīng)電壓越低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率就越高，要求數(shù)據(jù)發(fā)送端重新發(fā)送的次數(shù)就越多，重新發(fā)送數(shù)據(jù)需要消耗通信能耗，特別在數(shù)據(jù)交換比較頻繁的應(yīng)用實(shí)例中，這種消耗十分明顯［9］，因而在進(jìn)行IP核映射與路由算法選擇過(guò)程中應(yīng)充分考慮這個(gè)因素.

現(xiàn)有的工作利用電壓島進(jìn)行能耗優(yōu)化［3－7］，但是沒(méi)有考慮供應(yīng)電壓對(duì)誤碼率的影響及數(shù)據(jù)重傳引起的能量消耗問(wèn)題.另外也存在一定的局限，如文獻(xiàn)［3］的方案存在容易形成電壓孤島的問(wèn)題，文獻(xiàn)［3－7］也沒(méi)有考慮可以利用IP核從低電壓島往高電壓島移動(dòng)的機(jī)制，來(lái)降低NoC 整體能耗.本文針對(duì)這些問(wèn)題，提出一種基于數(shù)據(jù)重傳機(jī)制的能耗模型，并定義考慮供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響情況的能耗優(yōu)化問(wèn)題.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)能耗優(yōu)化方案，其中包括電壓島劃分、IP 核映射和路由路徑選擇等3個(gè)部分.

1 系統(tǒng)模型

本章首先描述支持電壓島的NoC 平臺(tái)模型，處理節(jié)點(diǎn)放置一個(gè)IP核和一個(gè)路由器，每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)有自己固定的電壓和時(shí)鐘頻率.當(dāng)相鄰的處理節(jié)點(diǎn)的電壓和時(shí)鐘頻率不一致時(shí)，用混合時(shí)鐘FIFOs進(jìn)行時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換.在考慮供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性影響下，重新定義NoC 系統(tǒng)能耗模型，并在此基礎(chǔ)上，提出基于電壓島分配、IP 核映射和路由算法的NoC系統(tǒng)能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.描述這個(gè)問(wèn)題需要以下簡(jiǎn)單的定義.

1.1 定 義

定 義 1 應(yīng) 用 通 信 圖 （application communication graph）ACG（T，A）是一個(gè)有向圖.頂點(diǎn)ti∈T表示一個(gè)IP核，邊ai，j∈A表示從ti到tj通信任務(wù).C（ai，j）表示從ti到tj通信量，B（ai，j）表示從ti到tj需要的通信帶寬.每一個(gè)IP核都有自己的供應(yīng)電壓和閾值電壓.

定義2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（architecture topology graph）ATG（P，L）是一個(gè)有向圖.頂點(diǎn)pi∈P表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊li，j∈L表示相鄰節(jié)點(diǎn)通信鏈路.Si，j表示pi到pj可用通信路徑 的 集 合，si，j表 示pi到pj一 條 通 信 路 徑表示pi到pj一位數(shù)據(jù)通信鏈路能耗.

定義3 映射函數(shù)MF（mapping function）：ACG→ATG映射一個(gè)IP核ti∈T到節(jié)點(diǎn)pi∈P上.φ（t，p）表示ACG中的IP核映射到ATG上，滿足如下性質(zhì)：

1.2 能耗模型

基于電壓島的NoC 系統(tǒng)能耗主要由處理器動(dòng)態(tài)計(jì)算能耗、數(shù)據(jù)傳輸能耗和不同電壓島之間轉(zhuǎn)換能耗組成.

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，動(dòng)態(tài)計(jì)算能耗定義為

其中Ri是有效周期數(shù)，Ceff是有效切換電容，Vdd是IP核的供應(yīng)電壓.

其中f為時(shí)鐘頻率，Vth為閾值電壓，k和α為常數(shù).

在文獻(xiàn)［2］中沒(méi)有考慮電壓島概念情況下，所有鏈路傳輸一位數(shù)據(jù)能耗是相同的，定義為

其 中El，bit表 示 鏈 路 能 耗，Eb，bit表 示 緩 沖 區(qū) 能 耗，Es，bit表示交 換能耗.

在支持電壓島的NoC系統(tǒng)中，假設(shè)片上系統(tǒng)供應(yīng)電壓最大為Vmax，每一個(gè)路由器供應(yīng)電壓為Vi，則每傳輸一位數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)ps到終節(jié)點(diǎn)pd能耗可以定義為

其中pi為定義2中從源節(jié)點(diǎn)ps到終節(jié)點(diǎn)pd通信路徑上路由器.

每一個(gè)通信任務(wù)能耗為

其中Ck為通信任務(wù)k的通信流量.

不同電壓島之間轉(zhuǎn)換能耗由MCFIFO 和VLC能耗構(gòu)成，定義為

其中EMCFIFO和EVLC分別為MCFIFO 和VLC 能耗，m為MCFIFO 個(gè)數(shù).

1.3 數(shù)據(jù)傳輸誤碼的模型

片上網(wǎng)絡(luò)的模塊化和可重用性等性質(zhì)決定可以使用ECC（error control coding，ECC）方法來(lái)解決發(fā)生在瞬時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤.ECC 方法一般有兩種.一種是在數(shù)據(jù)鏈路層（hop－to－h(huán)op ECC），在每一個(gè)路由器配置一個(gè)ECC 編碼器／解碼器，每一個(gè)路由器能檢測(cè)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)接收端可以要求數(shù)據(jù)發(fā)送端重新發(fā)送或者用冗余線路來(lái)解決數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤問(wèn)題［10］.這種傳輸錯(cuò)誤控制機(jī)制能有效地控制錯(cuò)誤的傳播，但是在每一個(gè)路由器上增加一個(gè)ECC 編碼器／解碼器就會(huì)增加系統(tǒng)能量的消耗和芯片面積的消耗.另一種可以替代的糾錯(cuò)機(jī)制發(fā)生在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層（end－to－end ECC），這種糾錯(cuò)機(jī)制不發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g路由器中，數(shù)據(jù)接收終點(diǎn)路由器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，要求數(shù)據(jù)發(fā)送端路由器重新發(fā)送數(shù)據(jù).這種糾錯(cuò)機(jī)制和鏈路層數(shù)據(jù)糾錯(cuò)相比，不會(huì)增加片上網(wǎng)絡(luò)的能耗和面積消耗.在設(shè)計(jì)NoC 系統(tǒng)過(guò)程中，對(duì)芯片面積消耗有嚴(yán)格的限制.因此，本文采用在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的糾錯(cuò)機(jī)制，并采用片上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸超時(shí)重傳機(jī)制ARQ（automatic repeat request，ARQ）［11］.

片上網(wǎng)絡(luò)互連線上的誤碼是由片上各種干擾源如電源干擾、電磁干擾等引起的.一般用δ2N高斯白噪聲電壓來(lái)表示所有不同噪聲源的總和的方差，ε表示一條信號(hào)線進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的概率，根據(jù)文獻(xiàn)［10］，ε定義為

從上面的模型可以得到一個(gè)報(bào)文在兩個(gè)相連路由器傳輸?shù)恼`碼概率模型

其中k表示數(shù)據(jù)報(bào)文（packet）的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度.

在數(shù)據(jù)接收端報(bào)文誤碼概率模型為

這里pi表示數(shù)據(jù)通信路徑中的路由器，rpi是在pi路由器數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤的概率.

在數(shù)據(jù)接收端的處理節(jié)點(diǎn)如果發(fā)現(xiàn)報(bào)文是不正確的，需要數(shù)據(jù)發(fā)送端重新傳輸數(shù)據(jù).根據(jù)rps，pd可以得到平均正確數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)NARQ：

1.4 重新定義系統(tǒng)通信能耗模型

在基于電壓島的NoC 系統(tǒng)中，IP 核在考慮供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)誤碼率的影響下，采用片上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸超時(shí)重傳機(jī)制.整個(gè)NoC系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的整體能耗可以重新定義為

1.5 問(wèn)題定義

在基于電壓島的NoC 系統(tǒng)中，系統(tǒng)能耗問(wèn)題可以形式化定義為給定應(yīng)用通信圖ACG（T，A）、NoC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖ATG（P，L）和電壓島最大數(shù)，在考慮通信帶寬約束和供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的影響下，考慮電壓島劃分和尋找核集合C與資源節(jié)點(diǎn)集合T一一對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)φ（C），并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸路由算法，使得NoC系統(tǒng)能耗最優(yōu).

其中

2 設(shè)計(jì)方法

本章描述整個(gè)設(shè)計(jì)方法和主要算法.設(shè)計(jì)方法主要包含3個(gè)部分：電壓島的劃分、IP 核的映射和路由算法.本文在電壓島劃分方面不但考慮計(jì)算能耗，同時(shí)考慮了通信能耗；IP 核的映射部分主要考慮總體通信流量最少和電壓孤島問(wèn)題；在路由算法設(shè)計(jì)方面主要考慮數(shù)據(jù)通信能耗優(yōu)化問(wèn)題.下面從3個(gè)方面進(jìn)行描述.

2.1 電壓島劃分

電壓島劃分問(wèn)題是在給定電壓等級(jí)集合和最大電壓島數(shù)的情況下，給每個(gè)IP核分派一個(gè)供應(yīng)電壓.假設(shè)給定最大電壓島數(shù)是m，電壓等級(jí)為N，那么就有M＝C（N，m）種VF＝ ｛vf1，vf2，…，vfm｝的電壓組合.用式（1）和（2）算出每個(gè)IP核所需要的最低供應(yīng)電壓Vi，對(duì)于任何vfi中最大的電壓大于或者等于最大Vi，這個(gè)就是候選的vfi.這僅是IP核的計(jì)算能耗，沒(méi)有考慮通信能耗和轉(zhuǎn)換能耗.本文的算法結(jié)合這3個(gè)方面的能耗來(lái)進(jìn)行電壓島分配.本文定義IP核從低電壓島往高電壓島移動(dòng)能耗函數(shù)，如果函數(shù)值大于零表示可以移動(dòng)，如果小于或等于零表示不可以移動(dòng).移動(dòng)能耗函數(shù)定義如下：

其中D是IP核的映射平均距離.具體算法如下：

算法1 電壓島分配算法

2.2 IP核映射

進(jìn)行IP核映射時(shí)應(yīng)考慮電壓孤島的問(wèn)題，因?yàn)檫@會(huì)帶來(lái)算法效率和通信能耗優(yōu)化方面的問(wèn)題［3］.本文算法在保證整體通信流量最小的情況下，結(jié)合考慮電壓孤島問(wèn)題.本文用算法2來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，首先IP核之間按照通信流量進(jìn)行降序排序，然后把電壓島候選的Tile放到CT 列表中.接下來(lái)在候選的CT 表中選擇一個(gè)Tile來(lái)進(jìn)行映射，如果此Tile有最大的相鄰節(jié)點(diǎn)和已經(jīng)映射IP核通信流量最少，再判斷是否產(chǎn)生電壓孤島，如果不產(chǎn)生電壓孤島，則映射此候選Tile，如果產(chǎn)生電壓孤島，則再選擇其他的候選Tile，如果找不到這樣的Tile，選擇第一個(gè)Tile來(lái)進(jìn)行映射.映射此IP核以后，把該Tile相鄰的節(jié)點(diǎn)都放到與IP 核具有相同電壓島CT 列表中，再進(jìn)行剩余的IP核映射.算法描述如下：

算法2 IP核映射算法

2.3 路由算法

設(shè)計(jì)NoC系統(tǒng)中的路由算法時(shí)，路由死鎖和活鎖問(wèn)題要充分考慮.本文用通信兩個(gè)節(jié)點(diǎn)最短路由來(lái)解決路由活鎖問(wèn)題.在解決路由死鎖問(wèn)題方面，本文參照文獻(xiàn)［12］解決路由死鎖技術(shù)，首先找到所有通信任務(wù)的兩點(diǎn)最短路徑的集合.判斷通信最短路徑構(gòu)成的鏈路依賴圖［12］中是否有環(huán)路.如果沒(méi)有環(huán)路，就進(jìn)行路由選擇.如果鏈路依賴圖構(gòu)成環(huán)路，則必須去掉一些鏈路來(lái)消除所有的環(huán)路，否則構(gòu)成死鎖.本文用最小代價(jià)函數(shù)η去掉這些環(huán)路，具體細(xì)節(jié)參考文獻(xiàn)［12］.首先按通信流量進(jìn)行排序，考慮供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)通信可靠性的影響，用式（11）和（6）計(jì)算通信能耗和轉(zhuǎn)換能耗，選擇通信能耗最少的路徑，然后依次選擇路由路徑.

算法3 路由算法

3 性能評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的性能，將6個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例映射到NoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上.把VOPD［13］（video object plane decoder）和MMS［14］（H263 編／解碼器、MP3編／解碼器）兩種應(yīng)用映射到4×4和5×5 NoC二維Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上.采取同樣的方式，把E3S［15］中consumer、networking、auto－industry和telecom 等應(yīng)用實(shí)例分別映射到3×3、3×3、4×4 和5×5NoC二維Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上.

將本文VFI－ARQ 方法與下列3種方法進(jìn)行了比較：

（1）VFI－P：第一次提出電壓島設(shè)計(jì)方法［3］；

（2）VFI－R：基于電壓島感知設(shè)計(jì)方法［4］；

（3）VFI－S：基于整數(shù)線性規(guī)劃設(shè)計(jì)方法［7］.

對(duì)6個(gè)應(yīng)用實(shí)例在白噪聲δ和供應(yīng)電壓取不同值的情況下做了3組實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果以VFI－P算法的電壓島優(yōu)化結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行歸一化處理.第一組實(shí)驗(yàn)用比較大的供應(yīng)電壓V1＝｛1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0｝V，在白噪聲δ1＝0.1情況下比較各種方法，系統(tǒng)能耗比較如圖1所示.第二組實(shí)驗(yàn)在供應(yīng)電壓V1＝｛1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0｝V 不變和δ2＝0.2情況下比較各種方法，系統(tǒng)能耗比較如圖2所示.第三組實(shí)驗(yàn)在δ1＝0.1，但是供應(yīng)電壓比較小，即V2＝｛0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.5｝V 的情況下比較各種設(shè)計(jì)方法，能耗比較如圖3所示.

圖1 能量消耗比較（δ1，V1）Fig.1 Energy consumption comparison for（δ1，V1）

圖2 能量消耗比較（δ2，V1）Fig.2 Energy consumption comparison for（δ2，V1）

圖3 能量消耗比較（δ1，V2）Fig.3 Energy consumption comparison for（δ1，V2）

從圖1～3可以看出，在基于電壓島NoC 系統(tǒng)中，考慮數(shù)據(jù)傳輸可靠性的情況下，供應(yīng)電壓數(shù)值越小，數(shù)據(jù)傳輸可靠性越差，要求重新傳輸?shù)拇螖?shù)就越多，本文的設(shè)計(jì)方法更有效.在其他參數(shù)相同的情況下，噪聲越大，數(shù)據(jù)傳輸可靠性越小，本文的設(shè)計(jì)方法同樣表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì).

本文在考慮數(shù)據(jù)重傳的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新的降低系統(tǒng)能耗的方案VFI－ARQ.與VFI－P、VFIR、VFI－S 方案比較表明，系統(tǒng)能耗平均降低了17%、11%、7%.VFI－P方案只是考慮相鄰電壓島的合并問(wèn)題，沒(méi)有考慮不相鄰的電壓島合并問(wèn)題，容易形成電壓孤島的現(xiàn)象.所以在VFI－P 方案中，會(huì)造成更多系統(tǒng)能量的消耗.方案VFI－S 和VFI－R 雖然考慮了電壓孤島的現(xiàn)象，也分析了電壓孤島產(chǎn)生的原因，有進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗的效果，但是沒(méi)有考慮IP核可以從低電壓島往高電壓島移動(dòng)的問(wèn)題，所以降低NoC整體能耗的效果不明顯.本文在電壓島劃分問(wèn)題上不僅考慮了IP核的計(jì)算能耗，還考慮了IP核之間數(shù)據(jù)在重傳下的通信能耗問(wèn)題和電壓孤島等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案能有效地降低系統(tǒng)能耗.

4 結(jié) 語(yǔ)

已有的NoC映射設(shè)計(jì)方法中，沒(méi)有考慮供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)傳輸重傳的影響.本文將供應(yīng)電壓對(duì)通信數(shù)據(jù)誤碼率的傳輸模型引入NoC 設(shè)計(jì)方法中，改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸能耗模型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在多級(jí)電壓NoC模型中，考慮供應(yīng)電壓對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響，能很好地優(yōu)化數(shù)據(jù)通信能耗.下一步的研究工作主要在數(shù)據(jù)重傳情況下電壓島分配機(jī)制中延長(zhǎng)NoC系統(tǒng)的生存周期.

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