Síť na čipu - Network on a chip

Síťová věda
Internet_map_1024.jpg
Typy sítí
Grafy
Funkce
Typy
Modely
Topologie
Dynamika
  • Seznamy
  • Kategorie

Síť na čipu nebo sítě-on-chip ( NoC / ˌ ɛ n ˌ oʊ s já / en-OH- SEE nebo / n ɒ k / zaklepat ) je síť na bázi komunikační subsystém na integrovaném obvodu (“ mikročip "), nejčastěji mezi moduly v systému na čipu ( SoC ). Moduly na integrovaném obvodu jsou typicky polovodičová IP jádra schematizující různé funkce počítačového systému a jsou navrženy tak, aby byly modulární ve smyslu síťové vědy . Síť na čipu je router na bázi přepojování paketů sítí mezi SoC moduly .

Technologie NoC aplikuje teorii a metody počítačových sítí na komunikaci na čipu a přináší pozoruhodná vylepšení oproti konvenčním komunikačním architekturám sběrnice a příčníku . Sítě na čipu přicházejí v mnoha síťových topologiích , z nichž mnohé jsou od roku 2018 stále experimentální.

NoC zlepšují škálovatelnost systémů na čipu a energetickou účinnost komplexních SoC ve srovnání s jinými návrhy komunikačních subsystémů. Běžným NoC používaným v současných osobních počítačích je jednotka grafického zpracování (GPU) - běžně používaná v počítačové grafice , hraní her a zrychlování umělé inteligence . Jsou nově vznikající technologie , s projekcí na velké růst v blízké budoucnosti manycore počítačové architektury stále běžnější.

Struktura

NoC mohou překlenout synchronní a asynchronní hodinové domény, známé jako křížení hodinové domény , nebo používat neotaktovanou asynchronní logiku. NoC podporují globálně asynchronní, lokálně synchronní architektury elektroniky, což umožňuje každému jádru procesoru nebo funkční jednotce v systému System-on-Chip mít svou vlastní doménu hodin .

Architektury

Architektury NoC typicky modelují řídké sítě malého světa (SWN) a sítě bez měřítka (SFN), aby omezily počet, délku, plochu a spotřebu energie propojovacích vodičů a připojení point-to-point .

Topologie

Topologie je prvním základním aspektem designu NoC a má zásadní vliv na celkové náklady a výkon sítě. Topologie určuje fyzické rozložení a připojení mezi uzly a kanály. Také směrování zpráv a délka kanálu každého chmele závisí na topologii. Topologie tedy významně ovlivňuje latenci a spotřebu energie. Kromě toho, protože topologie určuje počet alternativních cest mezi uzly, ovlivňuje distribuci síťového provozu a tím i dosaženou šířku pásma sítě a výkon.

Výhody

Tradičně byly integrované obvody navrženy s vyhrazeným spojením bod-bod , přičemž každému signálu je věnován jeden vodič. Výsledkem je hustá topologie sítě . Zejména u velkých návrhů to má několik omezení z hlediska fyzického návrhu . Vyžaduje kvadratický výkon v počtu propojení. Dráty zabírají velkou část oblasti čipu a v nanometrové technologii CMOS dominují propojení jak výkonu, tak dynamickému rozptylu energie , protože šíření signálu ve vodičích po čipu vyžaduje několik hodinových cyklů . To také umožňuje , aby se v obvodu nahromadilo více parazitní kapacity , odporu a indukčnosti . ( Diskuse o požadavcích na zapojení pro připojení z bodu do bodu viz pravidlo Rentu ).

Řídkost a lokalita vzájemného propojení v komunikačním subsystému výnosových několik vylepšení oproti tradičním autobusem založené a břevno založené systémy.

Rovnoběžnost a škálovatelnost

Dráty ve spojeních sítě na čipu jsou sdíleny mnoha signály . Je dosaženo vysoké úrovně paralelismu , protože všechna datová spojení v NoC mohou fungovat současně na různých datových paketech . Vzhledem k tomu, že složitost integrovaných systémů stále roste, poskytuje NoC lepší výkon (například propustnost ) a škálovatelnost ve srovnání s předchozími komunikačními architekturami (např. Vyhrazené signální vodiče point-to-point , sdílené sběrnice nebo segmentované sběrnice s mosty ) . Tyto algoritmy musí být navržena takovým způsobem, že nabízejí velké paralelismus a mohou tudíž využít potenciál NOC.

Aktuální výzkum

WiNoC v 3D chiplet

Někteří vědci si myslí, že NoCs musí podporovat kvalitu služeb (QoS), konkrétně dosáhnout různých požadavků, pokud jde o propustnost , end-to-end zpoždění, spravedlnost a termíny . Výpočet v reálném čase, včetně přehrávání zvuku a videa, je jedním z důvodů poskytování podpory QoS. Současné implementace systému, jako jsou VxWorks , RTLinux nebo QNX, však dokážou dosáhnout milisekundových výpočtů v reálném čase bez speciálního hardwaru.

To může naznačovat, že pro mnoho aplikací v reálném čase je kvalita služeb existující propojovací infrastruktury na čipu dostatečná a pro dosažení mikrosekundové přesnosti je nutná vyhrazená hardwarová logika , což je pro koncové uživatele v praxi zřídka potřebný stupeň (zvuk nebo video). jitter potřebuje pouze desetinu milisekundové záruky latence). Další motivací pro kvalitu služeb na úrovni NoC (QoS) je podpora více souběžných uživatelů sdílejících prostředky jednoho multiprocesoru s jedním čipem ve veřejné cloudové výpočetní infrastruktuře. V takových případech hardwarová logika QoS umožňuje poskytovateli služeb poskytovat smluvní záruky na úrovni služeb, které uživatel obdrží, což je funkce, kterou mohou někteří korporátní nebo státní klienti považovat za žádoucí.

Mnoho náročných výzkumných problémů zbývá vyřešit na všech úrovních, od úrovně fyzického propojení přes síťovou úroveň až po architekturu systému a aplikační software. První specializované výzkumné sympozium o sítích na čipu se konalo na Princetonské univerzitě v květnu 2007. Druhé mezinárodní sympozium IEEE o sítích na čipu se konalo v dubnu 2008 na Newcastle University .

Výzkum byl prováděn na integrovaných optických vlnovodech a zařízeních zahrnujících optickou síť na čipu (ONoC).

Možným způsobem, jak zvýšit výkon NoC, je použití bezdrátových komunikačních kanálů mezi chiplety - pojmenovaná bezdrátová síť na čipu (WiNoC).

Vedlejší výhody NoC

Ve vícejádrovém systému připojeném pomocí NoC musí koherenční zprávy a požadavky na chybějící mezipaměť projít přepínači. Podle toho lze přepínače rozšířit o jednoduché prvky sledování a předávání, aby se zjistilo, které bloky mezipaměti budou v budoucnu požadovány pomocí kterých jader. Potom přeposílací prvky multicastují jakýkoli požadovaný blok na všechna jádra, která mohou v budoucnu tento blok požadovat. Tento mechanismus snižuje rychlost vynechání mezipaměti.

Srovnávací hodnoty

Vývoj a studie NoC vyžadují srovnání různých návrhů a možností. Na základě těchto testů se vyvíjejí vzorce provozu NoC. Stávající měřítka NoC zahrnují NoCBench a MCSL NoC Traffic Patterns.

Propojte procesorovou jednotku

Interconnect processing unit (IPU) je komunikační síť na čipu s hardwarovými a softwarovými komponentami, které společně implementují klíčové funkce různých programovacích modelů systém na čipu prostřednictvím sady komunikačních a synchronizačních primitiv a poskytují služby platformy na nízké úrovni, které umožňují pokročilé funkce v moderních heterogenních aplikacích na jedné matrici .

Viz také

Poznámky

Reference

Převzato ze sloupce Avinoam Kolodny v e-zpravodaji ACM SIGDA od Igora Markova . Původní text najdete na adrese http://www.sigda.org/newsletter/2006/060415.txt

Další čtení

externí odkazy