网络化MPSoC高能效设计技术研究

【摘要】： 片上系统(Systern-on-Chip，SoC)已广泛应用于网络通信、信号处理、多媒体等嵌入式电子产品中，但单处理器SoC无法满足应用领域日益增长的计算能力需求，MPSoC(Multiprocessor SoC)成为高性能嵌入式系统的实现平台。随着集成电路技术的快速发展，单个芯片上的晶体管数目将会达到数十亿个，可以集成数百个异构的IP核，传统的总线结构在可扩展性、通信效率、功耗等方面不再适用，通信成为MPSoC突出的性能瓶颈。片上网络(Network-on-Chip，NoC)作为解决复杂的片上多核通信问题的全新设计模式，为嵌入式系统设计方法学带来了新的机遇和挑战。同时，为延长电池使用时间、降低芯片封装和冷却费用、提高系统可靠性，高能效已成为基于NoC的MPSoC(简称网络化MPSoC)设计中的首要因素。 本文首先总结了嵌入式系统的设计方法，分析了NoC的设计特点，针对可重用的MPSoC／NoC平台，提出了一种高能效网络化MPSoC的系统级设计流程。在此基础上，面向低成本、硬实时、高性能、高可信的嵌入式应用，采取不同的能耗优化技术，重点解决了以下四个关键问题：(1)MPSoC计算平台的软硬件划分、(2)固网NoC平台的映射、(3)硬网NoC平台的路由与链路电压分配和(4)软网NoC平台的软硬件协同综合。 本文主要的贡献与创新之处包括： (1)针对基于可重用组件的MPSoC软硬件划分问题，提出了一种采用自动波竞争神经网络的优化算法。首先将MPSoC软硬件划分转化为图论中的多约束最短路径问题，然后对神经网络中的自动波机制重新进行了设计，从组件库中为每个任务模块选择合适的软件构件或IP核，在系统成本和实时性约束下，使得MPSoC的功耗最优。本算法具有并行化、无参数、易于硬件实现等优点，可获得MPSoC软硬件划分问题的最优解。 (2)针对二维网格NoC中通信时延受限的低能耗映射问题，提出了一种改进的禁忌搜索算法TSNM。TSNM基于集中和分散机制，将RobustTabu Search与COHX交叉操作融合，具有搜索效率高和优化性能好的优点，适合于求解大规模NoC映射问题。 (3)针对树拓扑NoC中通信时延受限的低能耗映射问题，提出了一种递归的二路划分算法RPM。RPM采用分而治之策略，使用改进后的Kemighan-Lin算法实现IP核通信任务图的最小割划分，在较短的运行时间内获得了性能优异的NoC映射解，可用于获得高质量的优化结果或NoC设计空间探索的快速内部迭代。 (4)针对链路电压可调整的NoC平台，提出了一种可靠性感知的通信链路能耗优化算法。考虑了低电压对电路瞬时故障率的负面影响，将通信可靠性与能耗折中设计引入到NoC的路由和链路电压分配中，设计了一个新的能效变化率驱动的启发式电压分配算法，与基于禁忌搜索的路由分配相结合，在确保NoC通信可靠性和带宽约束的同时，可以有效降低链路的通信能耗。 (5)针对支持电压岛的层次化NoC平台，提出了一种基于嵌套遗传算法的软硬件协同综合算法。面向可信嵌入式实时MPSoC应用的完整设计流程，通过资源分配、任务指派、聚簇映射、任务调度以及电压调整等设计步骤，可以有效降低NoC系统的计算与通信能耗，实现能耗与可靠性的多目标优化，更适合于异构层次化NoC系统综合。 目前，国内外对MPSoC／NoC设计方法学的研究还处于初步发展阶段，存在许多有待解决的问题。本文提出的网络化MPSoC高能效设计方法和优化算法，为下一代基于NoC的嵌入式多核系统的设计自动化提供了新的技术和思路。