Мережі на кристалі (NoC)

Вступ до Мереж на Кристалі

Електроніка як галузь техніки розвивається досить швидкими темпами. На початку 60-х років ХХ ст. із електроніки виділилась самостійна галузь – мікроелектроніка, головною метою якої є комплексна інтеграція електро – радіо елементів на кристалі й платі.

Мікроелектроніка включає розроблення та виробництво інтегрованих мікросхем, принципи їх застосування. В результаті комплексної інтеграції розроблено і створено сучасні мікросхеми, великі інтегровані мікросхеми та надвеликі інтегровані мікросхеми.

Сьогодні мікроелектроніка є основою для створення всіх сучасних електронних пристроїв, а інтегровані мікросхеми – це «цеглини», з яких складаються електронні пристрої та системи.

На сьогодні розроблені надвеликі інтегральні схеми, які містять більше 105 елементів. Однак вже зараз стає зрозумілим, що збільшення ступені інтеграції не може бути безмежним. Якісно новим рішенням, яке, зокрема, забезпечить високий ступінь надійності, є відмова від традиційних схемних елементів – транзисторів і перехід до використання об’ємних ефектів в твердому тілі.

МЕРЕЖІ НА КРИСТАЛІ: Особливості реалізації

Маршрутизатори

Традиційно пристрої всередині мікропроцесора комутувалися за допомогою загальної шини. З плином часу росла ступінь інтеграції, що супроводжувалося збільшенням кількості блоків всередині мікропроцесора. Коли число блоків досягає порядку десятків і сотень, шинна архітектура сполучення стає непридатною через обмежену пропускну здатність і масштабованість [1]. В архітектурі NoC кожне ядро або блок процесора з’єднаний з маршрутизатором, через який відбувається його спілкування з іншими блоками. Самі маршрутизатори об’єднані в мережу, по якій пакети даних подорожують від одного блоку до іншого, так само як пакети у звичайній комп’ютерній мережі. Це значно спрощує топологію мікросхеми і знімає обмеження щодо масштабування ‒ на відміну від шини, безліч блоків здатні взаємодіяти одночасно, не заважаючи один одному. Комп’ютерне моделювання та дослідні зразки багатоядерних процесорів показують, що при великій кількості ядер така архітектура перевершує традиційну за багатьма показниками [2].

Рис. 1 – Мережа на кристалі [2]

Часові затримки

Під час проектування систем на кристалі перед розробниками

постає проблема затримок і розсинхронізації сигналів. Різні методи організації мережевих структур на кристалі, які теоретично дозволяють мінімізувати затримки і втрати, мають суттєві недоліки і складні в реалізації. Найбільш простим шляхом розв’язання цієї проблеми є парадигма бездротових мереж на кристалі, яка дозволяє обійти обмеження класичних мереж, а також забезпечити зв’язок між наномаcштабними компонентами мікросхеми та макрорівнем [3].

Можливості NoC (Network on Chip) з традиційною двовимірною топологією були обмежені високими часовими затримками передачі сигналів та енергетичними втратами, що виникають завдяки омічного опору і розподілу потужності при розгалуженні ланцюгів. Для вирішення цих проблем пропонувалися різні методи використання радіочастотних [4] і оптичних хвилеводних [5] ліній, а також тривимірної архітектури NoC [6] – перспективного напрямку, який дозволяє подолати обмеження закону Мура. Але всі ці технології мають серйозні недоліки. Висока інтеграція елементів NoC в тривимірному виконанні ускладнює відведення тепла з центральних областей і погіршує температурний режим під час роботи на високих частотах.

Завдання розміщення в мікросхемі великої кількості оптичних хвилеводів та інтегрованих оптоелектронних пристроїв технологічно складна і нетривіальна, а для досягнення високої пропускної здатності радіочастотних ліній необхідно безліч високочастотних генераторів і фільтрів. Всі ці труднощі змусили розробників шукати інші шляхи обходу обмежень класичних мереж на кристалі з металевими провідниками. Останнім часом зусилля багатьох фахівців зосередилися на теорії створення бездротових мереж на чіпі (Wireless Network on Chip, WiNoC) [7].

Принциповою відмінністю комп’ютерних мереж від мереж на кристалі є масштаб часу. Для комп’ютерних мереж час обробки пакетів вимірюється мікросекундами або мілісекундами, тоді як для мереж на кристалі час обробки і доставки пакетів вимірюється наносекундами і частками наносекунд. При цьому вимоги до пропускної здатності в мережах на кристалі співставні або перевершують вимоги для комп’ютерних мереж. Це накладає додаткові обмеження на використовувані алгоритми маршрутизації, планування та арбітражу.

На відміну від макромереж до конструкції МнК висуваються більш суворі вимоги на кількість апаратурних ресурсів, необхідних для її реалізації, тому для МнК характерне застосування коротких черг на входах маршрутизаторів, що робить недоцільною буферизацію всього пакету перед відправкою у порт призначення [8].

Замість цього використовується технологія “wormhole” передачі даних, коли пакет розбивається на атомарні одиниці управління потоком (фліти), що передаються безперервно один за одним [9]. Фліти (flit – flow control unit) просуваються по мірі можливості, не чекаючи приходу послідовників. Це забезпечує низькі вимоги до обсягу буферного простору.

Особливості WiNoC

Гібридна структура

Серед можливих підходів до реалізації WiNoC в першу чергу слід відзначити використання в одному кристалі і бездротових, і традиційних провідникових ліній передачі сигналів. При цьому вся система на кристалі умовно ділиться на підмережі з груп ядер, усередині яких комунікація здійснюється дротовими лініями. Кожна така підмережа обладнана базовою станцією (БС), що забезпечує передачу та отримання пакетів даних по радіоканалах від інших підмереж. Усі ядра в підмережі пов’язані з їх БС через провідні лінії зв’язку. Передача пакету даних між ядрами різних підмереж здійснюється спочатку локально до відповідної БС, потім до БС підгрупи, в якій знаходиться адресат і далі – по провідниковій лінії до пункту призначення. Об’єднання БС у радіомережі

може виконуватися по топології зірки, петлі, меш-мережі тощо, тобто так само, як це відбувається в макромережах.

У більш складних випадках ділянки провідникової передачі сигналів можуть бути відсутні взагалі, хоча описана вище гібридна реалізація технологічно більш проста. Цей варіант ‒ єдино можливий для створення в перспективі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) типу FPGA з можливістю програмної реконфігурації архітектури бездротової мережі на кристалі під різні додатки.

Можливість практичної реалізації WiNoC вперше демонструвалася як рішення задачі розподілу тактових синхроімпульсів [10]. У роботі [7] було продемонстровано переваги WiNoC в порівнянні з дротяними аналогами в пропускної здатності мережі, часу затримки пакетів і енергетичних втратах.

Обробка сигналів

Пропускна здатність бездротової мережі на кристалі залежить не тільки від способу її фізичної реалізації, але і від методів обробки сигналів, які дозволяють збільшити кількість каналів інформаційного обміну, зберігаючи при цьому ширину смуги їх пропускання.

В праці [11] з цією метою пропонують використовувати технологію Multiple Input Multiple Output (МІМО). В центрі кристалу створюється кластер центральної базової станції (ЦБС) ‒ топологічно структурований набір невеликих за розміром ДРА (діелектричних резонаторних антен). Всі інші наносхеми оснащуються антенними решітками МIМО, складеними, наприклад, з дипольних наноантен (їх може бути вісім і більше). При цьому допускається використовувати наноантен однакової довжини, оскільки при використанні методів просторово-часового кодування MIMO – сигнали не обов’язково розділяти по частоті. Робочий діапазон пристрою може бути міліметровим або субміліметровим. Алгоритмічне рішення задачі декодування інформації в MIMO-системі спрощується завдяки незмінності координат антен і стабільності умов поширення сигналів під корпусом мікросхеми. Це дозволяє проводити розрахунок коефіцієнтів передачі каналів поширення сигналів лише на початковому етапі, після включення живлення, і не враховувати вплив активних перешкод і ефекту Допплера. Декодер ЦБС у варіанті мережі МІМО також виступає в ролі фільтра, котрий забезпечує зв’язок мікросхеми з зовнішніми елементами.

Переваги та недоліки мереж на кристалі

Якщо проводити аналогії, то мережі на кристалі (NoC) є прямим аналогом обчислювальних (комп’ютерних) мереж, які історично виникли набагато раніше. Питання їх проектування, у тому числі і в сфері якості обслуговування, досить ретельно досліджені в літературі і відображені в технічних стандартах. Для комп’ютерних мереж існують методи аналізу та забезпечення вимог до пропускної здатності, затримці і її варіації, надійності і т.д. Прийшов час розібратися, в чому ж відмінності комп’ютерних мереж від мереж на кристалі, які перешкоджають використанню існуючих підходів до забезпечення якості обслуговування і змушують розробляти нові.

Перша відмінність, яке має бути зрозуміла кожному, це відстань, на яку передаються дані. Оскільки швидкість поширення сигналу величина кінцева, то і затримка передачі на більшу відстань перевершує затримку передачі на менше. Хоч затримка передачі з фізичної лінії зв’язку це лише одна зі складових загальної затримки і не завжди істотна, але вона є.

Інша, менш очевидна відмінність це те, що для буферизації трафіку в мережах на кристалі використовується реєстрова пам’ять невеликого обсягу, і широко застосовуються складні схеми поділу ресурсів з блокуванням каналів. Пам’ять, яка використовується для буферизації в комп’ютерних мережах, володіє великим обсягом і набагато дешевше, ніж реєстрова пам’ять. Так як перш ніж почати передачу пакета даних він повинен бути сформований і поміщений в буферну пам’ять, то дефіцит буферної пам’яті робить мережі на кристалі більш чутливими до нерівномірного характеру надходження даних і різноманітних затримок передачі.

Аргумент на користь мереж на кристалі: в глобальних мережах, потік даних може проходити через ділянки, побудовані за різними технологіями, що відрізняється способами комутації, поділу середовища, маршрутизації і т.д. Наприклад, під час дзвінка з IP-телефону на стаціонарний телефон, голосовий трафік може спочатку проходити через локальну мережу з комутацією пакетів, потім через мережу ATM з комутацією з’єднань і, нарешті, через мобільну мережу побудовану за третьою технологією (наприклад, UMTS). Щоб забезпечити виконання вимог якості обслуговування на всьому шляху від джерела до одержувача, необхідно враховувати відмінності механізмів якості обслуговування в цих типах мереж. Для мереж на кристалі архітектура заздалегідь відома і проблеми пов’язані з передачею даних між різними типами мереж не актуальні.

Число агентів підключених до мережі на кристалі і їх поведінка в процесі експлуатації залишається незмінними, в той час як для комп’ютерних мереж вони можуть змінюватися. Це призводить до того, що в комп’ютерних мережах набагато вище «запас міцності». Зокрема лінії зв’язку більшу частину часу функціонують не на межі своєї пропускної здатності, а між двома вузлами може існувати кілька маршрутів. Останнє дозволяє використовувати для передачі критичних до параметрів якості обслуговування даних інший маршрут, ніж для решти даних. У мережах на кристалі, як правило, маршрутизація носить детермінований характер, а лінії зв’язку працюють під навантаженням близьким до граничного.

Можна наводити ще безліч відмінностей, наприклад, що комп’ю-терні мережі у випадку виходу лінії зв’язку з ладу можуть провести реконфігурацію і продовжити роботу, а для мереж на кристалі вихід лінії зв’язку з ладу, як правило, фатальний [1].

Використання МнК для реалізації підсистеми зв’язку в великих системах на кристалі дозволяє досягти наступних переваг:

–    Масштабованість. МнК здатні об’єднувати десятки ОМ (обчислювальних модулів), при чому зростання числа ОМ не призводить до обмеження пропускної здатності. Наразі невідомо про досягнення подібних результатів з використання інших способів організації взаємозв’язку в ІМС, окрім МнК;

–    Висока тактова частота. Короткі лінії зв’язку між інтегральними маршрутизаторами, по типу точка-точка, дозволяють значно підвищити тактову частоту МнК. Тактові частоти дослідних та серійних зразків багатоядерних ІМС, що використовують МнК, коливаються у межах від 1 ГГц до 5 ГГц, тоді, як швидкість тактування багатоядерних систем з загальною шиною не перевищує 500 МГц [12];

–    Паралелізм. На відміну від загальної шини, в МнК одночасно можуть обмінюватись даними кілька ОМ в різних сегментах мережі, що збільшує пропускну здатність такої підсистеми зв’язку;

–    Висока пропускна здатність. Три попередньо перелічені переваги МнК приводять до збільшення її пропускної здатності;

–    Низький рівень енергоспоживання. З’єднання по типу точка-точка значно зменшують паразитну ємність навантаження, зумовлену вхідними інтерфейсами ОМ. У комбінації з більш короткими лініями зв’язку між інтегральними маршрутизаторами це призводить до зменшення енергоспоживання у порівнянні з загальною шиною;

–    Ресурсоефективність. В МнК достатньо підключити ОМ до маршрутизатора через єдиний мережевий інтерфейс, щоб передавати дані до будь-якого вузла мережі.

 

Список використаних джерел

 

  1. Веб-сайт компанії “Intel Software” [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://software.intel.com/
  2. Електронна стаття “Сеть на кристалле ‒ мини-интернет внутри компьютера”   Режим доступу: http://habrhabr.ru/
  3.  Слюсар В.И. Беспроводные сети на кристалле – Электроника: НТБ, 2011. – №6, с.74.
  4.  M. F. Chang et al. CMP Network-on-Chip Overlaid With Multi-Band RF-Interconnect. – Proc. of  IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture, 16–20 February, 2008. –  p.191–202.
  5.  A. Shacham et al. Photonic Network-on-Chip for Future Generations of  Chip Multi-Processors. – IEEE Transactions on Computers, v.57, issue 9, p.1246–1260.
  6.  V. F. Pavlidis and E. G. Friedman. 3-D Topologies for Networks-on-Chip. – EEE Transactions on VLSI, October 2007. –  p.1081–1090.
  7. Amlan Ganguly, Kevin Chang, Partha Pratim Pande, Benjamin Belzer, Alireza Nojeh. Performance Evaluation of Wireless Networks on Chip Architectures.       // 10th Int’l Symposium on Quality Electronic Design., 16–18 March 2009 . –p.350–355.
  8. Bjerregaard T., Mahadevan S. A survey of research and practices of network-on-chip // ACM Computing Surveys.– 2006.– Vol.38, №1.– P.1 – 51
  9. Dally W.J. Performance analysis of k-ary n-cube interconnection networks // IEEE Transactions on Computers.– 1990.– Vol.39, №6.– P.775 – 785.
  10. B. A. Floyd et al. Intra-Chip Wireless Interconnect for Clock Distribution Implemented With Integrated Antennas, Receivers, and Transmitters. – IEEE Journal of Solid-State Circuits, May 2002 v. – 37, № 5, p.543–552
  11. Слюсар В.И., Слюсар Д.В. Метод мультиМIМО для беспроводной сети на чипе. – VII міжнародна науково-технічна конференція студентства і молоді “Світ інформації та телекомунікацій – 2010” (15–16 квітня 2010 р.) . – Київ: ДУІКТ, с.53–54.
  12. Angiolini F. A layout-aware analysis of networks-on-chip and traditional interconnects for mpsocs / F. Angiolini, P. Meloni, L. Benini // IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems.– 2007.– Vol.26, №3.–P. 421-434.

Автор: Стерненко  А.О. ДК-21. КЭВА, ФЕЛ, НТУУ «КПИ».