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片上网络低功耗设计研究

董文箫  
【摘要】: 随着人们对提升电子系统性能的迫切要求,今后集成成千上万个IP的芯片成为一种趋势。传统的总线互连结构由于可扩展性较差且无法提供高带宽,将变得难以适用。对于深亚微米下的复杂SoC,流水化的、包处理的NoC提供了一种有效的互连技术。NoC具有良好的扩展性和电气可控性,能提供可靠的互连网络。此外,NoC比总线多了安全控制、QoS和电源管理等功能,具有广阔的应用前景。本文研究工作从NoC的低功耗设计出发,对其相关技术研究领域进行了探索,主要的研究内容及成果概述如下: 1)Bus和NoC的低功耗编码 在芯片设计中,功耗已成为一个重要的设计指标。对于总线来说,减少总线上的翻转次数,就是降低总线上的功耗。针对已经存在的片上总线结构,提出了一种片上总线低功耗编码算法。该算法不改变现有总线结构,仍可复用连接在总线上的IP,以最小的代价有效地降低了片上总线上所消耗的功耗。但上述编码算法对NoC效率不高,这是由于NoC使用包交换网络传输,而包交换数据是不连续的。本文同样对NoC的低功耗编码及其它物理层低功耗措施进行了探索。 2)低功耗NoC映射 NoC的映射就是在满足一定的约束条件下,将任务图中的IP核放置在拓扑结构的资源节点上。映射决定了IP核与网络中的路由器的连接关系,因此它对NoC的性能和能耗有重要的影响。本文提出了一种在延时约束条件下,基于遗传算法的NoC低功耗映射算法。该算法使用数组方式编码染色体,并采用非常规码的交叉和变异运算因子。实验结果表明,它能快速有效地对通信功耗作优化。 3)多目标映射算法 在实际应用中,NoC的设计目标往往是需要多方面考虑的。随着芯片尺寸的进一步减小,散热问题变得越来越重要。功耗大的IP若靠得太近,容易生成“热区”。热区的生成不仅影响性能,而且带来漏电功耗增加等其它问题。本文综合考虑NoC映射中功耗和温度两项指标,在延迟约束条件下,使用基于NSGA-Ⅱ的多目标遗传算法对它们同时作优化。实验结果表明,该算法在几乎不增加功耗的情况下,能有效地降低芯片的峰值温度。 4)GALS时钟分布策略 NoC集成了诸多工作在不同频率的模块,给顶层时钟树生成和时序验证带来了困难。GALS(全局异步、局部同步)架构适用于NoC的时钟分布,它能有效地减少时钟树上的功耗消耗。但现有的GALS需要定制地设计异步包装电路,不利于验证和集成。本文采用通用的数字ASIC设计流程,在仅使用已有标准单元的情况下,提出了一种新的基于FIFO的异步包装。通过此包装电路,完成一个信号传输只需2步操作,通信吞吐率高。实验结果表明该包装电路在吞吐率和延迟上获得了显著改进。


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