CN103984828A - 一种温度均衡的三维片上网络核映射方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度均衡的三维片上网络核映射方法与系统。该核映射方法以节点温度方差为优化模型，采用遗传算法实现IP核在三维片上网络体系结构中的映射，不仅可降低芯片峰值温度，去除芯片热点，同时还可使得芯片各层温度均衡分布。本发明通过整合已有片上网络仿真工具Nirgam和温度模型Hotspot，获得详细的芯片温度分布信息，对映射结果进行评估，从而获得更为准确及优化的IP核映射布局。本发明可以应用于任何规则结构的三维片上网络系统。

Description

一种温度均衡的三维片上网络核映射方法与系统

技术领域

本发明属于片上网络系统设计领域，具体涉及一种温度均衡的三维片上网络核映射方法与系统。

背景技术

随着集成电路工艺技术的不断发展，单一芯片上可集成数十甚至上百个IP核模块已成为事实。受制于传统的总线结构，芯片设计将面临通信延迟、存储带宽、功耗极限等性能提升的瓶颈问题。片上网络(Network on Chip，NoC)采用基于数据包的传输方式，为模块之间的互连提供高效、可靠、灵活的通信架构，成为解决系统芯片设计中全局互连与通信问题的有效方案。随着IP核数目的不断增多，传统的二维结构由于布局条件的限制，难以保证关键部件相邻以缩短关键路径长度，从而无法从根本上解决缩短物理连线，减小信号延时的问题。随着三维IC技术的兴起，使得NoC从二维向三维扩展成为可能。三维NoC将IP核分布在不同的物理层，各层在垂直方向堆叠，层间通过高速且高密度的硅通孔相连。

在NoC设计中，确定每个IP核在NoC体系结构中的位置，即NoC映射，是一个重要的步骤，其结果会影响整个系统芯片的通信延时、功耗等性能。而在三维NoC中，有更多的节点和任务集成，该影响更为明显，特别是对温度分布的影响。目前，许多研究者提出了各种面向二维NoC系统寻找优化映射结果的算法。借鉴二维NoC映射算法研究思路，近年亦有研究者开始关注三维NoC映射问题，但是优化目标仍然集中在通信延时、功耗这些性能指标，或者以最小化系统功耗来表征最小化系统峰值温度，还没有针对三维NoC系统中各层温度均衡优化的映射方法。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够降低芯片峰值温度，去除芯片热点，实现三维NoC系统各层温度均衡优化的核映射方法，具体技术方案如下：

一种温度均衡的三维片上网络核映射方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)输入片上网络系统中各IP核的通信关系图以及片上网络体系结构图，以节点温度方差为优化模型，采用基于遗传算法的映射方法，获得IP核在三维片上网络系统中的一种优化布局结果；

所述温度方差模型为取片上网络系统中前m个节点的温度与所有节点平均温度的差值平均数，适应度函数由下式表述：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Th}}_i-{\mathrm{Th}}_{\mathrm{avg}})}^2$

其中，Th_i为在三维片上网络系统中各节点温度按从高到低排序后，第i位的节点温度；Th_avg为三维片上网络系统中所有节点的平均温度；m值小于等于节点总数目；

2)由映射结果确定片上网络体系结构的源与目的节点通信对，将建立的通信关系输入至片上网络仿真器配置文件中，由Nirgam加载配置信息，进行片上网络系统建模与仿真，以获得各节点的功耗、网络通信延时、吞吐量信息；

3)将系统各节点功耗轨迹及映射的布局结果输入Hotspot温度模型，获得芯片各层的温度分布；

4)判断当前的映射布局结果是否满足优化目标和设计约束条件，若满足则输出映射结果，若不满足，则调整第一阶段采用适应度函数中的m值，回到第一阶段重新产生一种映射布局，再重复继续上述两个阶段，直到获得符合需求的最优映射布局结果。

本发明的另一目的是提供一种实现上述核映射方法的系统，该系统包括以下模块：

(1)用于输入与保存各IP核的通信关系图以及片上网络体系结构图的模块；

(2)用于将IP核映射至三维片上网络系统的模块；

(3)用于三维片上网络性能仿真和温度分析的模块；

(4)用于判断映射布局结果是否满足优化目标和设计约束条件的模块；

(5)用于根据映射布局判断结果调整适应度函数的模块；

(6)输出映射布局最终结果的模块。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明针对三维NoC设计中温度管理更为严峻的问题，以节点温度方差为优化模型，采用遗传算法实现IP核在三维NoC体系结构中的映射，不仅可以降低芯片峰值温度，去除芯片热点，同时还可使得芯片各层温度均衡分布。

针对芯片温度分布不仅与各节点功耗相关，还与相邻节点位置布局及功耗变化相关的实际问题，本发明通过整合现有的NoC仿真工具Nirgam和温度模型Hotspot，获得详细的芯片温度分布信息，对映射结果进行评估，以获得更为准确及优化的IP核映射布局。

本发明的映射方法可以适用于任何规则结构的三维NoC系统。

附图说明

图1是温度均衡的三维片上网络映射方法流程图；

图2是三维NoC映射中染色体编码示意图；

图3是改进了的顺序交换法示意图；

图4是MPEG4解码器的核通信图；

图5是MPEG4解码器的一种优化映射结果图；

图6是MPEG4解码器映射后其中一层的布局图。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施方式对本发明进行详细描述。

本发明提供一种温度均衡的三维片上网络映射方法与系统，其中核映射方法具体包括四个阶段，算法流程图如图1所示，详述如下。

第一阶段，输入NoC系统中各IP核的通信关系图以及NoC体系结构图，采用基于遗传算法的映射方法，获得IP核在三维NoC中的一种优化布局结果。基于遗传算法的映射方法主要包含如下四个步骤。

(1)产生初始种群，初始种群由随机生成的染色体集组成，染色体数目按经验取值。每个染色体用整数编码，其长度等于IP核的通信关系图中的顶点的个数，即所要映射的IP核数目，染色体中的每个基因表示一个IP核在NoC体系结构中的位置布局，生成初始种群时，基因值对应于从NoC体系结构图中随机选取的顶点标号；

(2)通过适应度函数评估种群中每个染色体的适应度；

(3)应用选择、交换、变异三个遗传算子生成新一代种群，具体方法是：

根据适应度，从原种群中选择两个父个体(适应度越大，染色体被选中的机会越大)；用改进了的顺序交换法，以一定交叉概率把父个体交叉形成新的个体；再以一定的变异概率，采用对换变异法，随机选择交叉生成新的个体中两个交换点，使交换点处的码值交换，生成新的子个体，从而形成新一代种群。

其中改进了的顺序交换法如图3所示，在染色体A1和B1中随机选择交配区域(图中的阴影部分)，将B1的交配区域加到A1的前面，A1的交配区域加到B1的前面，然后分别从交配区域后依次删除与交配区相同的码，最终得到两个子个体A2、B2。

(4)重复步骤(1)～(3)，直到达到最大迭代次数或每代优化的温度分布不再变化。

如此，便得到了IP核在三维NoC结构中的一种优化布局。

其中，步骤(2)中遗传算法所采用的适应度函数为最小化温度方差，下面详细介绍本发明使用的温度方差模型建立过程。

假设芯片表面离散化成x×y个点的集合，对总的活动层数为n的芯片，则有x×y×n个节点，可将IP核单元放入。这些点也可以作为温度监控点，来反映整个芯片的温度分布情况。

对每个节点的温度表述如下：

${\mathrm{Th}}_{p,q,k}=T_{\mathrm{Amb}}+\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{R_{p,q,i}}{A_{\mathrm{IP}}}\×\left(\underset{k=i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(P_{p,q,k}+{\mathrm{Pr}}_{p,q,k})\right)$

其中， $P_{p,q,k}=\underset{\∀L\→R_{p,q,k}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_L\×E_{\mathrm{rbit}}$

上述式中参数Th_p,q,k表示IP核在三维片上网络(p,q,k)处的温度；T_Amb表示周围环境的温度；R_p,q,i是IP核在(p,q,i)处的等效热阻；A_IP表示IP核的面积；P_p,q,k是IP核在三维片上网络(p,q,k)处的平均功耗，其值可从[10～60W/cm²]范围中随机分配得到；Pr_p,q,k是路由单元在三维片上网络(p,q,k)处的平均功耗。路由单元的功耗由路由每比特数据的功耗(E_rbit)和经过该路由单元的数据量(λ_L)决定。L表示源节点与目的节点之间的传输路径，表示所有经过(p,q,k)处路由单元的传输路径；由于在此只计算稳态温度，所以，将考虑IP核和路由的平均功耗。

由于在工艺参数、芯片面积和IP核大小等确定的情况下，计算节点温度公式中除PR_i,j,s参数外都为定值，则节点温度与Pr_p,q,k呈线性关系。于是，对节点温度的优化可以通过对对数据传输过程中路由单元功耗的优化获得。而路由单元的功耗主要由通信过程传输的数据量决定，因而最小化节点温度可以转换为最小化经由路由单元的总的数据通信量

从而，最小化芯片峰值温度的目标函数可表示为min{λ_L}。在NoC映射问题中，λ_L可由下式具体描述。

${\mathrm{\λ}}_L=\underset{\∀\mathrm{ai},\mathrm{aj}\∈A}{\mathrm{\Σ}}{b}_{i,j}\×M$

其中 $M=\left\{\begin{array}{ccc}1& \mathrm{if}& L\∈\mathrm{Link}(r_i,r_j)\\ 0& \mathrm{else}& \end{array}\right.,$ Link(r_i,r_j)为基于路由算法的规则，从源节点到目的节点经过的链路集。

若仅仅考虑最小化芯片的峰值温度，使得芯片不出现热点，则只需考虑min{λ_L}。然而，本发明进一步考虑芯片各层温度的均衡分布问题。均衡性可以通过最小化节点温度的方差来体现，温度方差的计算方式如下：

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Th}}_i-T_{\mathrm{avg}})}^2$

其中，Th_i为在三维NoC中第i个节点温度，Th_avg为所有节点的平均温度，n为节点总数。

为了不致因降低节点间温度方差，而使性能损耗太大，这里，我们将节点温度按从高到低先排序后的取前m(m≤n)个节点来计算方差，m值可根据性能指标相对调节。为此，本发明采用的温度方差模型为：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Th}}_i-{\mathrm{Th}}_{\mathrm{avg}})}^2$

其中，Th_i为在三维片上网络中各节点温度按从高到低排序后，第i位的节点温度。

因而，第一阶段中遗传算法采用的适应度函数为：min{σ_m}。

第二阶段，由映射结果确定NoC体系结构的源与目的节点通信对，将建立的通信关系输入至NoC仿真器配置文件中，由Nirgam加载配置信息，进行NoC系统建模与仿真，以获得各节点的功耗、网络通信延时、吞吐量等信息。

Nirgam是一个公开发表的NoC仿真器，由印度Jaipur Malaviya研究所和英国Southampton大学合作开发的，采用了模块化设计，能够对片上网络拓扑结构、路由算法、缓冲区等结构参数进行配置，并进行不同通信负载和通信模式下网络性能的仿真，以图形化方式直观显示各模块功耗、网络延时、吞吐量等性能指标。

根据Nirgam仿真器的特征，在本发明的映射方法中，需要对Nirgam的配置文件夹config中的nirgam.config和application.config两个文件进行配置，前者用来定义网络所采用的拓扑结构、路由算法、仿真时间等，后者用来定义网络通信的数据发包策略。

例如，要将一个包含12个IP核的MPEG4解码器应用映射至3×2×2的三维网格(Mesh)结构的片上网络结构上，各IP核对之间采用恒定码率的通信策略，负载的带宽利用率为50％。那么在前述第一阶段所输入的核通信图如图4所示，获得IP核在三维Mesh结构NoC中一种优化映射布局结果如图5所示。在这一阶段定义nirgam.config和application.config两个文件的配置信息如下所示。

//nirgam.config配置文件格式

TOPOLOGY MESH3D   //定义拓扑结构为三维Mesh

NUM_ROWS  3       //定义行数为3

NUM_COLS  2       //定义列数为2

NUM_SLICE 2       //定义芯片堆叠层数为2

RT_ALGO XYZ       //定义路由算法为XY路由算法

WARMUP 5          //定义预热时间为5个时钟循环

DIRNAMEXYZ_CBR    //定义输出结果目录名为XYZ_CBR

SIM_NUM2000       //定义仿真时间为2000个时钟循环

//application.config配置文件格式

0CBR.so           //表示IP核0所在节点将发送码率恒定的数据

1CBR.so           //表示IP核1所在节点将发送码率恒定的数据

......

11CBR.so          //表示IP核11所在节点将发送码率恒定的数据

最后，我们还需要在config/traffic中创建12个tile文件，它用来对12个节点发送的数据进行配置，其格式如下所示。

PKT_SIZE 128         //定义数据包大小为128字节

LOAD 50              //定义数据包注入率为最大带宽的50％

DESTINATION FIXED 15 //定义目标节点为节点15

FLIT_INTERVAL 2      //定义filit间隔为2个时钟周期

第三阶段，将系统各节点功耗轨迹及映射的布局结果输入Hotspot温度模型，获得芯片各层的温度分布。

Hotspot是由Virginia大学Skadron等人开发的一种广泛运用于模拟芯片温度的工具，它结合了材料的电学热学性质，在给出既定的结构和连接后，能够得到各个位置的温度分布情况。

为了模拟堆叠的三维芯片，需要采用HotSpot中的格点模型，并按如下步骤进行。首先对层配置文件LCF进行定义，用于对垂直方向的层进行模拟，包括它们厚度、电导率等。其次，配置每一层的芯片布局，在平面布局文件FLP中给出各模块的名称、宽度、高度、最左边的x轴坐标与底部的y轴坐标。例如，假设图5的映射结果中每个模块的大小均一致，定义其中一层3×2的布局结构如图6所示。最后，根据Nirgam输出结果配置每个模块的功耗轨迹，仿真运行输出各模块温度分布。

第四阶段，判断当前的映射布局结果是否满足优化目标和设计约束条件，若满足则输出映射结果，若不满足，则调整第一阶段采用适应度函数中的m值，回到第一阶段重新产生一种映射布局，再重复继续上述两个阶段，直到获得符合需求的最优映射布局结果。

针对上述MEPG4解码器映射的例子，取不同m值对应映射结果的性能不一样，如下表所示。

芯片设计指标	m＝3	m＝6	m＝12
				最高温度(℃)	55.15	49.11	61.02
平均温度(℃)	41.29	40.76	43.85
				平均功耗(mW)	39.69	38.64	44.95
平均延时(cycles)	20.30	21.70	20.48

设计者可根据具体应用的设计目标和约束条件，综合考虑系统温度管理及网络功耗、延时性能指标，选择合适的核映射布局结果。

实现上述方法的片上网络系统包括以下模块：

(1)用于输入与保存各IP核的通信关系图以及片上网络体系结构图的模块；

(2)用于将IP核映射至三维片上网络系统的模块；

(3)用于三维片上网络性能仿真和温度分析的模块；

(4)用于判断映射布局结果是否满足优化目标和设计约束条件的模块；

(5)用于根据映射布局判断结果调整适应度函数的模块；

(6)输出映射布局最终结果的模块。

上述系统通过获知详细的网络通信性能评估及芯片温度分布情况，实现IP核在三维NoC体系结构中的优化映射，不仅最小化芯片峰值温度，去除芯片热点，同时还可使得芯片各层温度均衡分布。

Claims (4)

1.一种温度均衡的三维片上网络核映射方法，其特征在于包括如下步骤：

1)输入片上网络系统中各IP核的通信关系图以及片上网络体系结构图，以节点温度方差为优化模型，采用基于遗传算法的映射方法，获得IP核在三维片上网络系统中的一种优化布局结果；

所述温度方差模型为取片上网络系统中前m个节点的温度与所有节点平均温度的差值平均数，由下式表述：

${\mathrm{\σ}}_m=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{Th}}_i-{\mathrm{Th}}_{\mathrm{avg}})}^2$

遗传算法采用的适应度函数为：min{σ_m}；

其中，Th_i为在三维片上网络系统中各节点温度按从高到低排序后，第i位的节点温度；Th_avg为三维片上网络系统中所有节点的平均温度；m值小于等于节点总数目；

2)由映射结果确定片上网络体系结构的源与目的节点通信对，将建立的通信关系输入至片上网络仿真器配置文件中，由Nirgam加载配置信息，进行片上网络系统建模与仿真，以获得各节点的功耗、网络通信延时、吞吐量信息；

3)将系统各节点功耗轨迹及映射的布局结果输入Hotspot温度模型，获得芯片各层的温度分布；

4)判断当前的映射布局结果是否满足优化目标和设计约束条件，若满足则输出映射结果，若不满足，则调整第一阶段采用适应度函数中的m值，回到第一阶段重新产生一种映射布局，再重复继续上述两个阶段，直到获得符合需求的最优映射布局结果。

2.如权利要求1所述的温度均衡的三维片上网络核映射方法，其特征在于基于遗传算法的映射方法主要包含如下四个步骤：

(1)产生初始种群，初始种群由随机生成的染色体集组成，每个染色体用整数编码，其长度等于IP核的通信关系图中的顶点的个数，即所要映射的IP核数目，染色体中的每个基因表示一个IP核在片上网络体系结构中的位置布局，生成初始种群时，基因值对应于从片上网络体系结构图中随机选取的顶点标号；

(2)通过适应度函数评估种群中每个染色体的适应度；

(3)应用选择、交换、变异三个遗传算子生成新一代种群；

(4)重复步骤(1)～(3)，直到达到最大迭代次数或每代优化的温度分布不再变化。

3.如权利2所述的温度均衡的三维片上网络核映射方法，其特征在于，生成新一代种群的具体方法是：

根据适应度，从原种群中选择两个父个体；用改进的顺序交换法，以一定交叉概率把父个体交叉形成新的个体；再以一定的变异概率，采用对换变异法，随机选择交叉生成新的个体中两个交换点，使交换点处的码值交换，生成新的子个体，从而形成新一代种群。

4.一种实现权利要求1所述温度均衡的三维片上网络核映射方法的系统，其特征在于该系统包括以下模块：

(1)用于输入与保存各IP核的通信关系图以及片上网络体系结构图的模块；

(2)用于将IP核映射至三维片上网络系统的模块；

(3)用于三维片上网络性能仿真和温度分析的模块；

(4)用于判断映射布局结果是否满足优化目标和设计约束条件的模块；

(5)用于根据映射布局判断结果调整适应度函数的模块；

(6)输出映射布局最终结果的模块。