KR101548695B1 - Apparatus and method for topology design of hybrid optical networks on chip - Google Patents

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KR101548695B1
KR101548695B1 KR1020140151419A KR20140151419A KR101548695B1 KR 101548695 B1 KR101548695 B1 KR 101548695B1 KR 1020140151419 A KR1020140151419 A KR 1020140151419A KR 20140151419 A KR20140151419 A KR 20140151419A KR 101548695 B1 KR101548695 B1 KR 101548695B1
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honoc
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router
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한태희
송용호
김현중
이재훈
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a hybrid optical network-on-chip topology designing method and a device thereof. To design the topology for a hybrid optical network-on-chip, the device generates multiple topology structures based on a characterized graph of an application task and a router model, and detects at least one topology structure having optimized energy efficiency and response time among the topology structures by applying a genetic algorithm technique. The genetic algorithm detects the optimized topology structure through an appropriateness function based on optical signal power loss costs and collision path loss costs.

Description

하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TOPOLOGY DESIGN OF HYBRID OPTICAL NETWORKS ON CHIP}[0001] APPARATUS AND METHOD FOR TOPOLOGY DESIGN OF HYBRID OPTICAL NETWORKS ON CHIP [0002]

본 발명은 하이브리드 광학 네트워크-온-칩(Hybrid Optical Networks On Chip, HONoC)의 토폴로지를 설계하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for designing a topology of a Hybrid Optical Networks On Chip (HONoC).

멀티프로세서 시스템-온-칩(Multiprocessor System-on-Chip, MPSoC) 분야에서 온-칩 커뮤니케이션 확장성이 뛰어난 네트워크-온-칩(Network-on-Chip, NoC)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.On-chip (Network-on-Chip, NoC), which is highly scalable on-chip communication in the field of multiprocessor system-on-chip (MPSoC)

한편 최근 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술의 현저한 발전은 광학적 상호 연결(optical interconnect, OI)을 칩 간 통신, 더 나아가 온-칩 통신에 결합시키는 연구를 촉진시키고 있다. 기존의 전기적 상호 연결(electrical interconnect, EI)과 비교하였을 때 OI는 대역폭, 전력 소모 및 응답 시간 등을 크게 개선할 것으로 기대되고 있다. 그러나 기존의 EI 기반 칩들과의 상호 연동이 필요하고 이를 위한 전기-광 신호 상호 변환 문제 및 광 신호를 저장할 수 있는 버퍼의 부재로 인해, 하이브리드 광학 네트워크-온-칩(HONoC)이 관심의 대상이 되고 있다.Recent advances in silicon photonics technology, on the other hand, are driving research into combining optical interconnect (OI) into chip-to-chip communication, and furthermore, on-chip communication. OI is expected to greatly improve bandwidth, power consumption, and response time when compared to traditional electrical interconnects (EI). However, hybrid optical network-on-chip (HONoC) is of interest because it needs to interwork with existing EI-based chips and because of the problem of electric-optical signal conversion and the absence of buffer to store optical signals. .

하이브리드 광학 네트워크 온 칩(HONoC)에서는 광학 통신에 따른 에너지 소모가 크며, 광학 통신에 따른 에너지 소모량은 광 신호의 송신 전력에 비례한다. 이러한 HONoC에서 토폴로지 설계 문제는 NP-hard 문제이다. 범용 목적(general-purpose) NoC 에서의 최적의 토폴로지란 존재하기 어렵기 때문에 특정 애플리케이션 (application-specific)의 트래픽 상황을 고려한 토폴로지 최적화 설계가 필요하다. 이때, HONoC의 아키텍처 레벨 설계에서 고려해야할 두 가지 주요 문제는 서킷 스위칭으로 인해 증가되는 경로 충돌 문제와 광 신호의 전력 손실이며, 이는 특히 HONoC의 응답 시간 및 에너지 효율과 밀접히 연관된다.In the hybrid optical network on chip (HONoC), energy consumption due to optical communication is large, and energy consumption due to optical communication is proportional to the transmission power of the optical signal. In this HONoC, topology design problem is NP-hard problem. Because the optimal topology in general-purpose NoC is hard to exist, a topology optimization design that takes into account application-specific traffic conditions is needed. At this time, two main problems to be considered in HONoC's architecture level design are increased path collision problems due to circuit switching and power loss of optical signals, which are closely related to HONoC's response time and energy efficiency in particular.

구체적으로, OI상에서의 서킷 스위칭 사용으로 인하여, 두 개 이상의 독립적인 데이터 전송은 경로가 서로 중첩될 경우, 패킷 스위칭(packet switching)과 달리 동시 전송이 불가능하기 때문에 경로 충돌이 발생할 확률이 높아지게 되고 결국 응답 시간 및 처리량의 저하 문제가 발생된다. 이러한 문제는 코어 간의 연결성 및 통신 패턴에 의해 발생하기 때문에 경로 충돌을 완화시키는 토폴로지의 연구, 다양한 경로를 설정할 수 있는 라우팅 알고리즘, 정형 (regular) 토폴로지에서의 코어 매핑 방법에 따른 경로 충돌을 완화시키는 방법이 필요하다.Specifically, due to the use of circuit switching on the OI, two or more independent data transmissions can not be simultaneously transmitted, unlike packet switching, when paths are overlapped with each other, A problem of degradation of the response time and the throughput occurs. This problem is caused by the connectivity between cores and communication patterns. Therefore, it is necessary to study a topology that mitigates a path conflict, a routing algorithm that can set various paths, a method of mitigating a path conflict by a core mapping method in a regular topology Is required.

기존에는, 정형 토폴로지에 기반한 연구들이 주를 이루었기 때문에 이기종 멀티 코어 기반 NoC 등 다양한 HONoC에서의 최적화를 위한 토폴로지 설계 방법이 필요한 실정이다.In this paper, we propose a topology design method for HONOC based on heterogeneous multicore based NoC.

이와 관련하여, 대한민국등록특허 제714073호(발명의 명칭: 통신 자원의 충돌이 없는 온 칩 네트워크 자동 생성 방법)에서는, SoC 설계에 있어서, 온칩 네트워크를 구성하는 모듈들간의 통신량에 대한 트래픽 그래프 및 통신 스케줄을 분석하여 각 통신 요구들 간의 경합이 없는 최적의 온칩 네트워크를 자동으로 생성하는 방법을 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Registration No. 714073 (entitled "On-chip Network Automatic Generation Method Without Contention of Communication Resources"), in the SoC design, traffic graphs and communication for communication amount between modules constituting the on- Analyzing schedules to automatically generate an optimal on-chip network without contention between each communication request.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 애플리케이션의 응답 시간 및 HONoC의 에너지 효율이 최적화된 토폴로지를 설계하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the problems of the prior art described above, an embodiment of the present invention aims to provide an apparatus and method for designing a topology optimized for response time of an application and energy efficiency of HONoC.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.It should be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 하이브리드 광학 네트워크 온 칩(Hybrid Optical Networks On Chip, HONoC)의 토폴로지 설계 장치는, 라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프에 기초하여 복수의 토폴로지를 생성하되, 유전자 알고리즘 기법을 적용하여 상기 복수의 토폴로지 중 에너지 효율 및 응답 시간이 최적화된 적어도 하나의 토폴로지를 검출하는 토폴로지 생성부를 포함하며, 상기 유전자 알고리즘은 광 신호 전력 손실 비용 및 충돌 경로 손실 비용에 기초한 적합도 함수를 통해 상기 최적화된 토폴로지를 검출한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for designing a topology of a Hybrid Optical Networks On Chip (HONOC) A topology generator for generating a topology and detecting at least one topology in which energy efficiency and response time are optimized among the plurality of topologies by applying a genetic algorithm technique, And detects the optimized topology through a cost-based fitness function.

그리고, 상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 하이브리드 광학 네트워크 온 칩(Hybrid Optical Networks On Chip, HONoC)의 토폴로지 설계 장치를 통한 토폴로지 설계 방법은, 라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프를 입력받는 단계; 상기 라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프에 기초하여 복수의 토폴로지를 초기 개체군으로서 생성하는 단계; 상기 초기 개체군에 대해 기설정된 적합도 함수를 통한 적합도를 평가하여 진화 대상 개체를 선택하는 단계; 및 상기 진화 대상 개체에 대해 교차 연산 및 변이 연산을 처리하여 다음 세대 개체군을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 다음 세대 개체군에 대해 기설정된 종료 조건을 만족하는지 여부에 따라 개체 진화 반복 및 개체 진화 종료 중 어느 하나를 결정하고, 상기 개체 진화가 종료되면 종료 세대의 개체군 중 적어도 하나의 최적화 개체를 최적화된 토폴로지로 검출한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for designing a topology of a hybrid optical network on chip (HONOC), the method comprising: Receiving a graph; Generating a plurality of topologies as an initial population based on the graph of the router model and the application task; Selecting an object to be evolved by evaluating a fitness through a fitness function predetermined for the initial population; And generating a next generation population by processing a crossing operation and a mutation operation on the object to be evolved, wherein the next generation population is subjected to object evolution and object evolution in accordance with whether or not the predetermined termination condition is satisfied And detects at least one optimization entity among the population of the end generation as an optimized topology when the entity evolution is terminated.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 토폴로지 설계 문제가 NP-hard이기 때문에 유전자 알고리즘(Genetic algorithm, GA) 기반의 휴리스틱(heuristic)한 접근 방법을 사용하여 통신 경로의 충돌을 감소시켜 응답 시간을 최적화하고, MR과 광 도파관 상호 교차를 최소화하여 광 신호 전력 손실 문제를 해결한다.According to any one of the above-mentioned objects of the present invention, since the topology design problem is NP-hard, a collision of communication paths is reduced by using a heuristic approach based on a genetic algorithm (GA) Optimizes response time and solves optical signal power loss problem by minimizing MR and optical waveguide crossing.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 HONoC의 광학 라우터의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예가 적용되는 HONoC에서의 특정 애플리케이션의 통신 특성과 토폴로지 간의 관계를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 태스크 설계 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토폴로지 개체의 데이터 구조의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 토폴로지 설계 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
1 is a diagram showing an example of an optical router of HONoC to which an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a communication characteristic and a topology of a specific application in the HONoC according to an embodiment of the present invention; FIG.
3 is a block diagram showing a configuration of a task designing apparatus of the HONoC according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example of a data structure of a topology entity according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method of designing a topology of HONoC according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 광학 네트워크-온-칩(Hybrid Optical Networks-On-Chip, HONoC)의 토폴로지 설계 장치가 최적화된 HONoC의 토폴로지를 설계하는데 고려되는 광 신호의 전력 손실 문제 및 경로 충돌 문제에 대해서 상세히 설명하도록 한다.First, a topology designing apparatus of a hybrid optical network-on-chip (HONOC) according to an embodiment of the present invention is used for a power loss problem of an optical signal considered in designing an optimized HONoC topology and Describe the problem of path collision in detail.

HONoC에서는 광학 통신에 따른 에너지 소모가 크며, 이러한 에너지 소모는 광 신호의 송신 전력에 비례한다. 참고로, HONoC에서의 광 신호 송신 전력은 하기 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.In HONoC, energy consumption due to optical communication is large, and this energy consumption is proportional to the transmission power of the optical signal. For reference, the optical signal transmission power in HONoC can be defined as shown in Equation (1) below.

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

Figure 112014105821129-pat00001
Figure 112014105821129-pat00001

상기 수학식 1에서와 같이, 광 신호 송신 전력(Psrc)은 광 신호 전력 손실(Lsrc_to_dst)과 목적지에서의 광 신호 검출을 위한 최소 광 신호 필요 전력(Pdst)의 합으로 산출될 수 있다. 이때, 광 신호 전력 손실(Lsrc_to_dst)은 라우팅 경로에 의해 결정되고, 광 신호 송신 전력(Psrc)은 광학적 상호 연결(optical interconnect, OI)에 전력을 공급하는 광원의 성능에 의해 결정되며, 목적지의 최소 광 신호 필요 전력(Pdst)은 광 검출기(photodetector)의 성능과 밀접히 연관된다. 그런데 광원과 광 검출기의 성능은 일반적으로 실리콘 포토닉스 기술에 관련되는 것으로서 직접적인 제어에 한계가 있다. 따라서, HONoC에서의 에너지 소모를 최소화하기 위해서는 광 신호 전력 손실(Lsrc_to_dst)을 최소화시킬 수 있도록 라우팅 경로를 설정하는 것이 중요하다.As shown in Equation (1), the optical signal transmission power Psrc can be calculated as the sum of the optical signal power loss Lsrc_to_dst and the minimum optical signal power required for optical signal detection at the destination Pdst. At this time, the optical signal power loss Lsrc_to_dst is determined by the routing path, the optical signal transmission power Psrc is determined by the performance of a light source that supplies power to the optical interconnect OI, The optical signal power required (Pdst) is closely related to the performance of the photodetector. However, the performance of light sources and photodetectors is generally related to silicon photonics technology and has limited direct control. Therefore, in order to minimize the energy consumption in HONoC, it is important to set the routing path so as to minimize the optical signal power loss (Lsrc_to_dst).

이러한 광 신호 전력 손실(Lsrc_to_dst)은 광학 라우터와 광 도파관에서 발생하며, 이는 HONoC의 토폴로지와 직접적인 상관 관계를 갖는다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 토폴로지 설계 장치는 광 신호 전력 손실(Lsrc_to_dst)을 최소화시킬 수 있는 최적화된 토폴로지를 설계한다.This optical signal power loss (Lsrc_to_dst) occurs in the optical router and optical waveguide, which has a direct correlation with the topology of HONoC. Therefore, the HONoC topology design apparatus according to an embodiment of the present invention designs an optimized topology that can minimize the optical signal power loss (Lsrc_to_dst).

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예가 적용되는 HONoC에서의 광 신호의 전력 손실 문제 및 경로 충돌 문제에 대해서 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a power loss problem and a path collision problem of an optical signal in a HONoC according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 1 and FIG.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 HONoC의 광학 라우터의 일례를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing an example of an optical router of HONoC to which an embodiment of the present invention is applied.

도 1에서는 5-포트(port) 광학 라우터의 세부 구조를 나타내었다. 도 1에서와 같이, HONoC의 광학 라우터는 주요 구성 요소로서 마이크로-링 공명기(micro-ring resonator, MR)과 광 도파관(optical waveguide)을 포함한다. 광학 라우터는 특정 MR을 ON 상태 또는 OFF 상태로 전환하면서 광 신호를 “드롭(drop)” 또는 “스루(through)”하여, 광 신호에 대한 라우팅 기능을 수행한다. 이러한, 광학 라우터에서의 광 신호 전력 손실(Lsrc_to_dst)은 광 도파관 교차 손실(waveguide crossing loss), 광 도파관 굽힘 손실(waveguide bending loss), 및 MR의 삽입 손실(MR insertion loss) 등에 의해 발생된다. 이때, 광학 라우터의 포트 수가 증가하면 필요한 MR 개수 및 광 도파관의 수가 증가하며, 이에 따라 광 도파관 교차 손실, 광 도파관 굽힘 손실, 및 MR의 삽입 손실 역시 증가하여 전체적인 광 신호 전력 손실도 증가하게 된다.1 shows a detailed structure of a 5-port optical router. As shown in FIG. 1, the optical router of HONoC includes a micro-ring resonator (MR) and an optical waveguide as main components. The optical router performs &quot; drop &quot; or &quot; through &quot; the optical signal while routing a particular MR to the ON or OFF state, thereby performing the routing function for the optical signal. The optical signal power loss (Lsrc_to_dst) in the optical router is generated by waveguide crossing loss, waveguide bending loss, MR insertion loss, and the like. At this time, as the number of ports of the optical router increases, the number of required MRs and the number of optical waveguides increase. Accordingly, optical waveguide crossing loss, optical waveguide bending loss, and insertion loss of MR also increase.

도 2는 본 발명의 일 실시예가 적용되는 HONoC에서의 특정 애플리케이션의 통신 특성과 토폴로지 간의 관계를 나타낸 예시도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a communication characteristic and a topology of a specific application in the HONoC according to an embodiment of the present invention; FIG.

도 2의 (a)는 애플리케이션 태스크 그래프를 나타내고, 도 2의 (b)는 해당 애플리케이션을 각각의 코어에 대해 단순히 매핑한 토폴로지이고, 도 2의 (c)는 매핑을 최적화한 토폴로지를 나타내었다.FIG. 2 (a) shows an application task graph, FIG. 2 (b) shows a topology in which the application is simply mapped to each core, and FIG. 2 (c) shows a topology optimized for mapping.

도 2의 (b)에서 나타낸 바와 같이, 최적화되지 않은 토폴로지에서는 V2와 V4간의 데이터 전송으로 광학적 경로를 차지한 상태에서 V0가 V1으로 데이터 전송을 시도하는 경우 경로 충돌 문제가 발생하여, V0과 V1 간의 데이터 전송은 V2과 V4 간의 데이터 전송이 종료될 때까지 대기하여야한다. 또한, 도 2의 (b)에서와 같은 최적화되지 않은 토폴로지에서는 V6와 V7 간의 통신은 3개의 라우터를 경유하되, 포트 수가 상대적으로 많은 라우터 R3를 거치게 되므로 광 신호 전력 손실이 커지게 된다.As shown in FIG. 2 (b), in an unoptimized topology, when a data transmission between V 2 and V 4 takes an optical path and data transmission is attempted with V 0 as V 1 , a path collision problem occurs, Data transfer between V 0 and V 1 should wait until data transfer between V 2 and V 4 is completed. In the unoptimized topology as shown in FIG. 2 (b), the communication between V 6 and V 7 passes through three routers, but passes through the router R 3 having a relatively large number of ports, so that optical signal power loss becomes large .

반면에, 도 2의 (c)에서와 같은 최적화된 토폴로지에서는 적합한 태스크 매핑을 통해 경로 충돌 문제를 해결할 수 있으며, V6와 V7 간의 통신을 2개의 라우터를 경유하되 포트 수가 적은 라우터를 거치도록 하여 광 신호 전력 손실을 감소시킬 수 있다.On the other hand, in the optimized topology as shown in FIG. 2 (c), the path conflict problem can be solved through appropriate task mapping, and communication between V 6 and V 7 can be performed through two routers, Thereby reducing optical signal power loss.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 토폴로지 설계 장치는 광 도파관 교차 손실, 광 도파관 굽힘 손실, 및 MR의 삽입 손실을 줄일 수 있으며, 경로 충돌 문제를 해결한 최적화된 토폴로지를 설계한다.Accordingly, the topology design apparatus according to an embodiment of the present invention can reduce the optical waveguide crossing loss, optical waveguide bending loss, and MR insertion loss, and design an optimized topology that solves the path collision problem.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 토폴로지 설계 장치의 구성 및 동작에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the HONoC topology designing apparatus according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3 and FIG.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 태스크 설계 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram showing a configuration of a task designing apparatus of the HONoC according to an embodiment of the present invention.

도 3에서와 같이, HONoC의 태스크 설계 장치(100)는 태스크 특성화부(110), 토폴로지 특성화부(120) 및 토폴로지 생성부(130)를 포함한다.3, the task designing apparatus 100 of the HONoC includes a task characterizing unit 110, a topology characterizing unit 120, and a topology generating unit 130.

태스크 특성화부(110)는 처리할 애플리케이션의 태스크(task) 간 통신 패턴 및 특성에 따른 애플리케이션 통신 특성 정보를 애플리케이션 태스크 그래프(application task graph, ATG)로 모델링한다.The task characterization unit 110 models an application task graph (ATG) based on application communication characteristics information according to communication patterns and characteristics of tasks of an application to be processed.

구체적으로, 애플리케이션 태스크 그래프 G(V, E)에서 vi∈V는 태스크를 나타내고, ei ,j∈E는 태스크 vi에서 vj로의 데이터 통신을 나타낸다. 이때, 데이터 통신은 vi가 vj로 보내는 통신의 대역폭을 나타내는 BW(ei ,j)와, 데이터를 전송할 때 한 번의 통신에서 보낼 수 있는 최대 데이터양을 나타내는 CV(ei ,j)를 포함한다.Specifically, in the application task graph G (V, E), v i ∈ V represents the task and e i , j ∈ E represents the data communication from task v i to v j . In this case, the data communication uses BW (e i , j ) , which represents the bandwidth of communication that v i sends to v j , and CV (e i , j ) , which represents the maximum amount of data that can be sent in one communication when transmitting data. .

토폴로지 특성화부(120)는 NoC(Network-on-Chip) 토폴로지의 특성화 그래프(이하, 'NoC 토폴로지 그래프'라고 지칭함)를 모델링한다.The topology characterization unit 120 models a characterization graph of a NoC (Network-on-Chip) topology (hereinafter referred to as a NoC topology graph).

구체적으로, NoC 토폴로지 그래프 T(U, R, F)에서 ui∈U는 NoC 토폴로지에서의 태스크가 매핑된 코어를 나타내고, ri∈R는 토폴로지에 존재하는 각각의 라우터를 나타내고, fu ,i,j∈F는 코어와 라우터사이의 연결인 (ui,rj)을 나타내며, fr ,i,j∈F는 라우터와 라우터 사이의 연결인 (ri,rj)을 나타낸다. 이때, ui uj를 연결시키는 라우팅 경로는 pi ,j 라고 하며, 이를 fu ,i,j 및 fr ,i,j의 집합 {(ui,rk),(rk,rk'),… ,(uj,rk''}로 나타낼 수 있다.Specifically, in the NoC topology graph T (U, R, F) u i ∈U denotes a core mapping the tasks of the NoC topology, r i denotes a ∈R Each router existing in the topology, f u, i, j ∈ F represents the connection between the core and the router (u i , r j ), and f r , i, j ∈ F represents the connection between the router and the router (r i , r j ). At this time, u i Wow The routing path connecting u j is called p i , j , which is a set of {u i , r k ), (r k , r k ' ), f u , i, j and f r , , (u j , r k '' }.

토폴로지 특성화부(120)를 통해 NoC 토폴로지 그래프가 모델링된 모든 토폴로지의 집합 TA에서 U=V 의 관계를 갖고, 모든 ei ,j∈E에 대응하는 라우팅 경로 pi ,j가 존재하는 토폴로지의 집합 Tp(⊂TA)를 토폴로지 후보군이라고 한다.The NoC topology graph through the topology characterization unit 120 has a relationship of U = V in all the topology sets T A modeled, and the topology in which the routing path p i , j corresponding to all e i , j EE exists The set T p (⊂ T A ) is called the topology candidate.

토폴로지 생성부(130)는 태스크 특성화부(110) 및 토폴로지 특성화부(120)를 통해 각각 정의된 애플리케이션 태스크 그래프 및 NoC 토폴로지그래프를 이용하여 광 신호 전력 손실 및 광학적 경로 충돌을 최소화한 최적화된 토폴로지를 설계한다.The topology generation unit 130 generates an optimized topology that minimizes optical signal power loss and optical path collision using the application task graph and the NoC topology graph defined through the task characterization unit 110 and the topology characterization unit 120 Design.

이때, 토폴로지의 설계 문제는 NP-hard하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 토폴로지 생성부(130)는 유전자 알고리즘(Genetic algorithm, GA)을 이용하여 토폴로지를 생성한다.At this time, since the design problem of the topology is NP-hard, the topology generation unit 130 according to an embodiment of the present invention generates a topology using a genetic algorithm (GA).

이하, 토폴로지 생성부(130)가 최적화된 토폴로지를 설계하는 방식을 설명하기에 앞서 본 발명의 일 실시예에 적용될 광 신호 전력 손실 값 및 광학적 경로 충돌에 의한 응답 시간을 정의하도록 한다.Before describing a method of designing the optimized topology, the topology generator 130 defines the optical signal power loss value to be applied to an embodiment of the present invention and the response time due to the optical path collision.

우선, 앞서 도 1 및 도 2를 통해 설명한 바와 같이, HONoC에서 에너지 효율은 광 신호 전력 손실의 영향을 받게 되며, 광 신호 전력 손실은 MR 삽입 손실과 광 도파관 교차 손실과 관련된다. 이때, 데이터 통신 ei ,j에 대응하는 HONoC 토폴로지 그래프에서 ui로부터 uj 로의 광 신호 전력 손실은 하기 수학식 2를 통해 계산될 수 있다.First, as described above with reference to FIGS. 1 and 2, in the HONoC, the energy efficiency is affected by optical signal power loss, and the optical signal power loss is related to the MR insertion loss and the optical waveguide cross loss. At this time, the optical signal power loss from u i to u j in the HONoC topology graph corresponding to the data communication e i , j can be calculated by the following equation (2).

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

Figure 112014105821129-pat00002
Figure 112014105821129-pat00002

상기 수학식 2에서와 같이, HONoC에서의 전력 손실은 광 도파관 교차 손실인 Lcrossings과, MR 삽입 손실인 LMR,drop 및 LMR,through의 영향을 받는다.As shown in Equation (2), power loss in HONoC is influenced by Lcrossings, which are optical waveguide crossing losses, and MR insertion losses, LMR, drop and LMR, through.

예를 들어, N-포트의 논블로킹(nonblocking) 광 라우터의 성능 지수가 하기 표 1에서와 같을 경우, 하기 수학식 3 내지 5를 통해 광 도파관 교차 손실인 Lcrossings, MR 삽입 손실인 LMR,drop 및 LMR,through를 산출할 수 있다.For example, when the figure of merit of the N-port nonblocking optical router is as shown in Table 1, Lcrossings, LMR, drop, MR insertion loss, LMR, through can be calculated.

Figure 112014105821129-pat00003
Figure 112014105821129-pat00003

<수학식 3> &Quot; (3) &quot;

Figure 112014105821129-pat00004
Figure 112014105821129-pat00004

<수학식 4>&Quot; (4) &quot;

Figure 112014105821129-pat00005
Figure 112014105821129-pat00005

<수학식 5>&Quot; (5) &quot;

Figure 112014105821129-pat00006
Figure 112014105821129-pat00006

이상에서, n(ri)는 통신 ei ,j의 라우팅 경로에 존재하는 각 라우터 ri의 포트 수를 나타낸다.In the above, n (r i ) represents the number of ports of each router r i existing in the routing path of the communication e i , j .

또한, HONoC에서 경로 충돌 문제와 관련하여, 처리할 태스크를 토폴로지에 매핑한 후 통신 ei ,j의 라우팅 경로 중 fu ,i,j 혹은 fr ,i,j가 공유되는 다른 모든 ei' , j'∈E를 Si ,j라고 정의한다. 즉,

Figure 112014105821129-pat00007
이면 ei' , j'∈Si ,j가 된다. In addition, with respect to the path conflicts in HONoC, map the handle tasks in the topology after the communication e i, of the routing path of the j f u, i, j or f r, i, all other e which j is shared i ' , j ' ∈ E is defined as S i , j . In other words,
Figure 112014105821129-pat00007
, Then e i ' , j' ∈S i , j .

위와 같은 정의에 따라, 광학적 경로 충돌에 의한 응답 시간은 하기 수학식 6을 통해 산출할 수 있다.According to the above definition, the response time due to the optical path collision can be calculated by the following equation (6).

<수학식 6>&Quot; (6) &quot;

Figure 112014105821129-pat00008
Figure 112014105821129-pat00008

상기 수학식 6에서

Figure 112014105821129-pat00009
는 광학적 연결의 대역폭을 의미하고,
Figure 112014105821129-pat00010
는 경로 충돌 발생 시 중첩된 다른 모든 데이터 전송 작업이 완료된 후 자기 자신의 전송이 완료될 때의 워스트 케이스(worst case) 응답 시간을 의미한다.In Equation (6)
Figure 112014105821129-pat00009
Quot; refers to the bandwidth of the optical connection,
Figure 112014105821129-pat00010
Means a worst case response time when a transmission collision is completed after all other overlapped data transmission operations are completed in case of a path collision.

이상에서 정의된 광 신호 전력 손실 값 및 광학적 경로 충돌에 의한 응답 시간에 따르면, 토폴로지 생성부(130)를 통한 토폴로지 생성 문제는 하기 의사 코드(Pseudo Code)에서와 같이 정의될 수 있다.According to the optical signal power loss value defined above and the response time due to the optical path collision, the topology generation problem through the topology generation unit 130 can be defined as in the following pseudo code.

Figure 112014105821129-pat00011
Figure 112014105821129-pat00011

위의 의사 코드에서,

Figure 112014105821129-pat00012
Figure 112014105821129-pat00013
는 광학 대역폭의 요구량을 의미하며, 하기 수학식 7 및 8을 통해 산출할 수 있다.In the pseudocode above,
Figure 112014105821129-pat00012
And
Figure 112014105821129-pat00013
Denotes a required amount of optical bandwidth, and can be calculated through the following equations (7) and (8).

<수학식 7>&Quot; (7) &quot;

Figure 112014105821129-pat00014
Figure 112014105821129-pat00014

<수학식 8>&Quot; (8) &quot;

Figure 112014105821129-pat00015
Figure 112014105821129-pat00015

토폴로지 생성부(130)는 위와 같이 정의된 토폴로지 생성 문제를 유전자 알고리즘(GA) 기법을 적용하여 최적해(또는 차선해(suboptimal solution))를 획득한다. 이때, 토폴로지 생성부(130)는 주어진 HONoC에서의 라우터 모델 및 처리할 애플리케이션 태스크 그래프를 입력받고, 유전자 알고리즘(GA)의 방법론에 따라 토폴로지를 설계한다. 참고로, 유전자 알고리즘(GA)은 넓은 탐색 공간에서 최적해(또는 차선해)를 효과적으로 획득하되, 설계 공간 탐색 시 강한 병렬성을 가지고 있어 검색 속도가 매우 빠른 기법이다.The topology generation unit 130 obtains an optimal solution (or a suboptimal solution) by applying a genetic algorithm (GA) technique to the topology generation problem defined above. At this time, the topology generation unit 130 receives a router model in a given HONoC and an application task graph to be processed, and designs a topology according to a genetic algorithm (GA) methodology. For reference, genetic algorithm (GA) is a technique that acquires an optimal solution (or a lane) effectively in a wide search space, but has a high parallelism in search of a design space and thus a search speed is very fast.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 토폴로지 생성부(130)는 초기 개체 생성 모듈(131), 적합도 평가 모듈(132), 개체 진화 처리 모듈(133) 및 최적화 개체 검출 모듈(134)을 포함한다.Specifically, the topology generation unit 130 according to an embodiment of the present invention includes an initial entity generation module 131, a fitness evaluation module 132, an entity evolution processing module 133, and an optimization entity detection module 134 do.

이때, 초기 개체 생성 모듈(131)은 HONoC 초기 토폴로지 개체군(population)을 생성하고, 적합도 평가 모듈(132)은 토폴로지 개체의 적합도(fitness)를 평가하여 적합도가 높은 토폴로지의 선택을 처리하고, 개체 진화 처리 모듈(133)은 교차(cross-over) 연산 및 변이(mutation) 연산을 이용하여 토폴로지 개체군을 진화 처리하는 일련의 과정을 수행한다. 여기서, 토폴로지 생성부(130)가 생성하는 개체는 하나의 HONoC 토폴로지를 의미하며, 개체군은 적어도 하나의 토폴로지를 포함한다. 그리고, 위와 같은 일련의 유전자 알고리즘 적용 과정들은 기설정된 종료 조건이 만족될 때까지 반복된다.At this time, the initial entity generation module 131 generates a HONoC initial topology population, the fitness evaluation module 132 evaluates the fitness of the topology entity, processes the selection of the topology with high fitness, The processing module 133 performs a series of processes for evolving and processing a topology population using a cross-over operation and a mutation operation. Here, the entity generated by the topology generation unit 130 means one HONOC topology, and the population includes at least one topology. Then, the above-described series of genetic algorithm application processes are repeated until a predetermined end condition is satisfied.

최적화 개체 검출 모듈(134)은 초기 개체 생성 모듈(131) 및 개체 진화 처리 모듈(133)을 통해 생성된 개체군이 기설정된 종료 조건을 만족하는 경우, 개체 생성 과정을 종료 처리하고 최적화된 개체(또는 개체군)을 출력한다. 종료 조건은 설정된 세대(generation)에 도달하거나 개체군이 더 이상 진화하지 못하는 경우로 설정될 수 있으며, 종료 세대에서 최적(fittest) 개체(즉, 적합도가 최고인 개체)를 선정하고 토폴로지 설계 과정을 종료할 수 있다. 최적(fittest) 개체는 에너지 효율과 응답 시간이 모두 최적화된 HONoC 토폴로지를 의미한다. 즉, 토폴로지 생성부(130)는 애플리케이션의 응답 시간 및 HONoC의 에너지 효율을 최적화한 토폴로지를 설계할 수 있다.When the population generated through the initial entity creation module 131 and the entity evolution processing module 133 satisfies a predetermined end condition, the optimized entity detection module 134 terminates the entity creation process, Population). The termination condition can be set to reach the set generation or the population can no longer evolve, and the fittest entity (i.e., the object with the highest fitness) in the final generation is selected and the topology design process is terminated . The fittest entity refers to a HONoC topology that is optimized for both energy efficiency and response time. That is, the topology generation unit 130 may design a topology that optimizes the response time of the application and the energy efficiency of the HONoC.

초기 개체 생성 모듈(131)은 토폴로지 설계의 첫 번째 단계에서 일정 수량의 독립적인 토폴로지를 표현하는 개체를 생성한다. 하기 도 4를 참조하여 HONoC 초기 개체군(initial population)을 형성하는 과정에 대해서 상세히 설명하도록 한다.The initial entity creation module 131 creates an entity representing a certain number of independent topologies in the first stage of the topology design. The process of forming the initial population of HONoC will be described in detail with reference to FIG.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토폴로지 개체의 데이터 구조의 일례를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an example of a data structure of a topology entity according to an embodiment of the present invention.

이때, 도 4에서는 토폴로지를 의미하는 개체의 계층 구조를 나타내었다.In this case, FIG. 4 shows a hierarchical structure of entities indicating the topology.

도 4에서는 HONoC의 토폴로지의 설계 공간을 효과적으로 탐색하기 위해 하나의 특정한 토폴로지를 3개의 계층 구조로 구성한 것을 나타내었다. 이러한 3개의 계층 구조를 통해 토폴로지의 매핑 관계 및 라우팅 경로를 독립적으로 표현할 수 있으며 별도로 조작이 가능하다.FIG. 4 shows that one specific topology is composed of three hierarchical structures in order to effectively search the design space of the HONoC topology. Through these three hierarchical structures, the mapping relationship of the topology and the routing path can be independently expressed and manipulated separately.

도 4의 (a)에 도시된 개체의 첫 번째 계층은 라우터 선택 계층으로서 HONoC 아키텍처를 구현할 라우터의 개수를 표현한다. 라우터 선택 계층은 이진(binary) 배열 router_stri = {r1,r2,…rMAXROUTER}로 표현되고, MAXROUTER는 HONoC 토 폴로지 아키텍처에서의 최대 라우터 수를 나타내며, 코어 수의 두 배로 가정할 수 있다. 첫 번째 계층의 모든 요소는 초기화 단계에서 랜덤하게 "1"(선택된) 혹은 "0"(비 선택된)으로 표기되어, 토폴로지 개체에 포함될 라우터 수가 결정된다. 도 4의 (a)에서는, 개체의 첫 번째 계층에서 r1, r4, r7이 “1”이 됨으로써 라우터 1, 4, 7번이 해당 토폴로지에 선정되어 총 라우터 수가 3개인 것을 나타내었다.The first layer of the entity shown in FIG. 4 (a) expresses the number of routers to implement the HONoC architecture as a router selection layer. The router selection layer is a binary array router_str i = {r 1 , r 2 , ... r MAXROUTER }, MAXROUTER represents the maximum number of routers in the HONoC topology architecture, and can be assumed to be twice the number of cores. All the elements in the first layer are marked as "1" (selected) or "0" (not selected) randomly in the initialization phase, and the number of routers to be included in the topology entity is determined. In FIG. 4 (a), r 1 , r 4 , and r 7 are "1" in the first layer of the entity, and routers 1, 4, and 7 are selected in the corresponding topology, indicating that the total number of routers is three.

그리고, 도 4의 (b)에 도시된, 개체의 두 번째 계층은 코어 매핑 계층으로서 각 라우터에 직접적으로 연결되는 코어를 표현한다. 이때, 각 코어는 상기 첫 번째 계층에서 선택된 라우터에만 매핑되어야 한다. 코어 매핑 계층은 정수 배열 core2router_stri={c1,c2,…cCORENUM}로 표현되며, CORENUM는 애플리케이션 태스크의 수를 나타낸다. 두 번째 계층에서는 구성원 core2router_str의 각 코어가 랜덤하게 상기 첫 번째 계층에서 선정된 라우터들에 할당된다. 도 4의 (b)에서는, 개체의 두 번째 계층에서 코어 0, 1번이 라우터 1번에 매핑되고 코어 2, 4, 5번이 라우터 4번에 매핑되며, 코어 3, 6, 7번이 라우터 7번에 매핑된 것을 나타내었다.The second layer of the entity, shown in FIG. 4 (b), represents a core directly connected to each router as a core mapping layer. At this time, each core must be mapped only to the router selected in the first layer. The core mapping layer is an integer array, core2router_str i = {c 1 , c 2 , ... c CORENUM }, where CORENUM represents the number of application tasks. In the second layer, each core of the member core2router_str is randomly allocated to the routers selected in the first layer. 4 (b), cores 0 and 1 are mapped to router 1 in the second layer of the entity, cores 2, 4 and 5 are mapped to router 4, cores 3, 6 and 7 are mapped to router 7, respectively.

또한, 도 4의 (c)에 도시된, 개체의 세 번째 계층은 통신 경로 계층으로서 애플리케이션 테스크 그래프에서 각 통신의 라우팅 경로를 표현한다. 이때, 상기 두 번째 계층의 매핑 관계에 기반하여 최소 경로 알고리즘(shortest path algorithm)을 통해 얻어진 라우팅 경로를 표현한다. 통신 경로 계층에서 라우팅 경로 com_stri는 정수 연결 리스트(linked list)로 표현된다. 참고로, 토폴로지 생성부(130)는 초기 개체군 생성 시 각 통신의 라우팅 경로를 최소 경로 알고리즘을 적용함으로써 통신 경로 계층을 초기화할 수 있다. 도 4의 (c)에서는, 통신 경로 계층에서 각 통신의 라우팅 경로 정보를 연결 리스트를 통해 나타내었으며, 상기 연결 리스트에서는 각 통신이 거치는 라우터의 포트 번호를 순차적으로 나타내었다.In addition, the third layer of the entity shown in FIG. 4 (c) represents the routing path of each communication in the application task graph as a communication path layer. At this time, the routing path obtained through the shortest path algorithm is expressed based on the mapping relationship of the second layer. In the communication path layer, the routing path com_stri is expressed as a linked list. For reference, the topology generation unit 130 may initialize the communication path layer by applying the minimum path algorithm to the routing path of each communication when generating the initial population. In FIG. 4C, the routing path information of each communication in the communication path layer is shown through a connection list. In the connection list, the port numbers of routers through each communication are sequentially shown.

다음으로, 적합도 평가 모듈(132)은 토폴로지 설계의 두 번째 단계에서 기설정된 적합도 함수(fitness function)를 이용하여 토폴로지 개체군을 평가 및 선택한다.Next, the fitness evaluation module 132 evaluates and selects a topology population using a predetermined fitness function in a second step of the topology design.

구체적으로, 적합도 평가 모듈(132)은 초기 개체군을 생성한 이후에 새로운 세대의 자식(child) 개체군을 생성하기 위하여 현 세대에서 적합한 개체군들을 선택한다. 이때, 적합도가 높은 개체일수록 선택될 확률이 높다. 참고로, 적합도 함수는 앞서 설명한 광 신호 전력 손실 및 경로 충돌 모델에 기반하여 각 토폴로지의 에너지 효율과 응답 시간을 평가한다.Specifically, the fitness evaluation module 132 selects the appropriate populations in the current generation to generate a new generation of child populations after generating the initial populations. At this time, the probability of being selected is higher for individuals with higher fitness. For reference, the fitness function evaluates the energy efficiency and response time of each topology based on the optical signal power loss and path collision model described above.

적합도 평가 모듈(132)은 하기 수학식 9를 통해 적합도 함수를 정의할 수 있으며, 이러한 적합도 함수는 두 가지 비용(cost)과 연관된 가중 선형 함수로 설정될 수 있다.The fitness evaluation module 132 may define a fitness function by the following equation (9), and the fitness function may be set to a weighted linear function associated with the two costs.

<수학식 9>&Quot; (9) &quot;

Figure 112014105821129-pat00016
Figure 112014105821129-pat00016

상기 수학식 9에서 α는 전력 손실 비용 l의 가중치이고 β는 경로 충돌 비용 t의 가중치이다. 앞서 토폴로지 생성부(130)가 생성한 개체가 적합성 함수 값으로서 높은 값을 가질수록 해당 개체(즉, 토폴로지)가 높은 에너지 효율 및 낮은 응답 시간을 갖는 것을 의미한다.In Equation (9) ,? Is a weight of the power loss cost l and ? Is a weight of the path collision cost t . As the entity generated by the topology generation unit 130 has a high value as the fitness function value, the corresponding entity (i.e., topology) has high energy efficiency and low response time.

개체 진화 처리 모듈(133)은 토폴로지 설계의 세 번째 단계에서 유전자 교차(cross-over) 및 변이(mutation) 연산을 통해서 다음 세대 개체군을 생성함으로써 더 적합한 토폴로지 개체군을 생성한다. 참고로, 다음 세대의 개체군에 포함된 토폴로지들은 응답 시간 및 에너지 효율적인 측면에서 이전 세대의 토폴로지보다 뛰어남을 의미한다. 또한, 토폴로지 설계의 세 번째 단계에서의 토폴로지 개체군 생성 방식은 앞서 첫 번째 단계에서 설명한 계층 구조에 따른 개체 생성 방식을 적용할 수 있다.The individual evolution processing module 133 generates a more suitable topology population by generating a next generation population through a cross-over and mutation operation in a third step of the topology design. For reference, the topologies included in the next generation population are superior to the previous-generation topology in terms of response time and energy efficiency. In addition, the topology population generation method in the third stage of the topology design can apply the object generation method according to the hierarchical structure described in the first step.

예를 들어, 교차 연산은 이전 세대에서 두 개의 부모 개체(parents)를 선택하고 두 개의 새로운 자식 개체를 생성함으로써 개체군을 진화(즉, 최적화하는 과정)시킨다. 이때, 넓은 설계 공간과 적당한 진화 간격을 위해서, 교차 연산은 각각 라우터 선택, 코어 매핑 및 통신 경로 계층 수준에서 독립적으로 적용될 수 있다. 그리고 이러한 교차 연산을 통해 획득한 토폴로지 개체의 적합성을 체크하여 올바른 토폴로지가 생성되었는지 확인하는 과정을 더 수행할 수 있다.For example, a crossover operation evolves (ie, optimizes) a population by selecting two parents in the previous generation and creating two new child entities. At this time, for a large design space and a reasonable evolutionary interval, the crossover operations can be applied independently at the router selection, core mapping and communication path layer levels, respectively. Then, it is possible to further check whether the correct topology has been generated by checking the suitability of the acquired topology object through the intersection operation.

변이 연산은 전체 개체가 함께 지역적 최적해(local optimum)에 빠져드는 경우를 방지하고 토폴로지의 다양성을 달성하기 위한 연산이다. 변이 연산에서는 랜덤하게 현 세대에서 하나의 개체를 선정하고 변이 연산을 수행한다. 이때, 변이 연산은 앞서 설명한 개체의 3 계층에서 다음과 같이 수행될 수 있다. 라우터 선택 계층에서는 토폴로지의 라우터 제거 및 추가를 수행하고, 코어 매핑 계층에서는 코어가 연결되는 라우터를 변경하며, 통신 경로 계층에서는 하나의 통신을 랜덤하게 선택하여 해당 통신을 다른 가능한 최단 경로로 변경한다. 그리고 이러한 변이 연산이 종료된 후 교차 연산과 마찬가지로 적합성을 확인하는 과정을 더 수행할 수 있다.Variation operations are operations that prevent the whole entity from falling into the local optimum together and achieve topology diversity. In the mutation operation, a single entity is selected at random and the mutation operation is performed. At this time, the mutation operation can be performed in the third layer of the above-described entity as follows. In the router selection layer, router removal and addition of the topology is performed. In the core mapping layer, the router to which the core is connected is changed. In the communication path layer, one communication is randomly selected to change the communication to another possible shortest path. After the variation operation is completed, the process of confirming the fitness can be further performed as in the case of the crossover operation.

이상에서 설명한 토폴로지 생성부(130)가 최적화된 토폴로지를 설계하는 과정은 하기 알고리즘에서와 같이 처리될 수 있다.The process of designing the optimized topology by the topology generator 130 as described above can be processed as in the following algorithm.

Figure 112014105821129-pat00017
Figure 112014105821129-pat00017

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 토폴로지 설계 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a topology design method of the HONoC according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 HONoC의 토폴로지 설계 방법을 설명하기 위한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of designing a topology of HONoC according to an embodiment of the present invention.

먼저, HONoC의 토폴로지를 설계하는데 적용되는 라우터의 모델 및 애플리케이션 태스크 그래프(ATG)를 입력받는다(S510).First, the model of the router and the application task graph (ATG) applied to design the topology of HONoC are inputted (S510).

다음으로, 라우터 모델 및 애플리케이션 태스크 그래프에 기초하여 초기 개체군을 생성한다(S520).Next, an initial population is generated based on the router model and the application task graph (S520).

이때, 개체는 하나의 토폴로지를 의미하며, 개체군은 적어도 하나의 토폴로지를 포함한다. 구체적으로, 개체 생성 시, HONoC의 토폴로지를 구현할 복수의 라우터를 랜덤하게 선택하고, 선택된 라우터에 코어를 랜덤하게 매핑하고, 라우터 별로 매핑된 코어들 간의 통신에서 최소 경로(즉, 라우팅 경로)를 설정한다. 참고로, 라우터에 매핑되는 코어들은 각각 애플리케이션 태스크가 매핑된 상태로서, 사전에 NoC 토폴로지 특성화를 통해 코어 별로 애플리케이션 태스크가 매핑된 NoC 토폴로지 그래프를 이용하여 각 코어를 상기 선택된 라우터에 할당할 수 있다.At this time, the entity means one topology, and the population includes at least one topology. Specifically, at the time of entity creation, a plurality of routers to implement the HONoC topology are randomly selected, the cores are randomly mapped to the selected routers, and a minimum path (i.e., a routing path) is set in communication between mapped cores do. For reference, cores mapped to routers are mapped application tasks, and each core can be allocated to the selected router using a NoC topology graph in which application tasks are mapped on a core-by-core basis through NoC topology characterization.

그런 다음, 생성된 개체군에 대해 적합도 함수를 통해 적합도를 평가하여 엘리트 개체군(즉, 진화 대상 개체)을 선택한다(S530).Then, the elite population (that is, the object to be evolved) is selected by evaluating the fitness through the fitness function for the generated population (S530).

이때, 적합도 함수는 경로 충돌 비용 및 광 신호 전력 손실 비용에 기초하여 설정되며, 경로 충돌 비용 및 광 신호 전력 손실 비용이 낮은 토폴로지일수록 선택될 가능성이 높아진다.At this time, the goodness-of-fit function is set based on the path collision cost and the optical signal power loss cost, and the possibility that the path collision cost and the optical signal power loss cost are lower is more likely to be selected.

다음으로, 상기 선택된 개체군에 대해 교차 연산 및 변이 연산을 처리하여 다음 세대 개체군을 생성한다(S540).Next, the next generation population is generated by processing the selected population with the intersection operation and the mutation operation (S540).

구체적으로, 이전 세대에서 부모 개체를 선택하고 새로운 자식 개체를 생성하여 개체군을 진화시킨다. 또한, 현 세대에서 하나의 개체를 선정하여 라우터 선택 시 라우터 제거 및 추가를 수행하고, 각 코어가 할당될 라우터를 변경하며, 어느 하나의 통신을 랜덤하게 선택하여 다른 가능한 최단 경로로 변경한다.Specifically, in the previous generation, a parent is selected and a new child is created to evolve the population. Also, when a single entity is selected in the current generation, router removal and addition are performed in selecting a router, the router to which each core is allocated is changed, and random communication is selected and changed to another possible shortest path.

그런 후, 상기 다음 세대 개체군의 생성을 통한 진화 단계가 기설정된 종료 조건에 만족하는지 판단하여(S550), 종료 조건이 만족하는 경우 해당 솔루션 세트(즉, 최종 진화된 개체군 또는 개체)를 최적화된 토폴로지로서 검출하여 출력한다(S551).Then, it is determined whether the evolution step through generation of the next generation population is satisfied with the preset termination condition (S550). If the termination condition is satisfied, the solution set (that is, the last evolved population or entity) (S551).

반면, 종료 조건이 만족되지 않은 경우 상기 적합도를 평가하여 엘리트 개체군을 선택하는 단계 (S530)으로 회귀하여 종료 조건이 만족할 때 까지 반복한다(S552).On the other hand, if the termination condition is not satisfied, the fitness is evaluated to select the elite population (S530), and the procedure is repeated until the termination condition is satisfied (S552).

이때, 종료 조건은 사전에 설정된 세대(generation)에 도달하거나 개체군이 더 이상 진화하지 못하는 경우이며, 종료 세대에서 최적 개체(적합도가 최고인 개체)를 선정하고 토폴로지 설계 과정을 종료할 수 있다.In this case, the termination condition is a case where the generation reaches a preset generation or the population can not evolve any more, and the optimum entity (the object with the highest fitness) in the end generation can be selected and the topology design process can be terminated.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100: 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치
110: 태스크 특성화부
120: 토폴로지 특성화부
130: 토폴로지 생성부
100: Topology design device for hybrid optical network on-chip
110: Task Characterization Unit
120: Topology Characterization Unit
130: Topology generator

Claims (11)

하이브리드 광학 네트워크 온 칩(Hybrid Optical Networks-On-Chip, HONoC)의 토폴로지 설계 장치에 있어서,
라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프에 기초하여 복수의 토폴로지를 생성하되, 유전자 알고리즘 기법을 적용하여 상기 복수의 토폴로지 중 에너지 효율 및 응답 시간이 최적화된 적어도 하나의 토폴로지를 검출하는 토폴로지 생성부를 포함하며,
상기 유전자 알고리즘은 광 신호 전력 손실 비용 및 경로 충돌 비용에 기초한 적합도 함수를 통해 상기 최적화된 토폴로지를 검출하되,
상기 광신호 전력 손실 비용은 상기 HONoC에 포함된 광 도파관의 교차 손실 및 마이크로 링 공명기의 삽입 손실에 기초하여 산출되고,
상기 경로 충돌 비용은 상기 HONoC에서의 광학적 연결의 대역폭 및 광학적 경로 충돌 발생 시 워스트 케이스 응답 시간에 기초하여 산출되는 것인 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치.
In a topology designing apparatus of a hybrid optical network-on-chip (HONoC)
And a topology generation unit configured to generate a plurality of topologies based on a characteristic graph of a router model and an application task, and to detect at least one topology in which energy efficiency and response time are optimized among the plurality of topologies by applying a genetic algorithm technique,
Wherein the genetic algorithm detects the optimized topology through a fitness function based on optical signal power loss cost and path collision cost,
The optical signal power loss cost is calculated on the basis of the cross loss of the optical waveguide included in the HONoC and the insertion loss of the microring resonator,
Wherein the path conflict cost is calculated based on a bandwidth of the optical connection in the HONoC and a worst case response time in the occurrence of an optical path collision.
제 1 항에 있어서,
상기 토폴로지 생성부는,
상기 라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프에 기초하여 복수의 토폴로지를 초기 개체군으로서 생성하는 초기 개체 생성 모듈;
상기 초기 개체군을 포함하는 생성된 개체군에 대해 상기 적합도 함수를 통한 적합도를 평가하여 진화 대상 개체를 선택하는 적합도 평가 모듈;
상기 진화 대상 개체에 대해 교차 연산 및 변이 연산을 처리하여 다음 세대 개체군을 생성하는 개체 진화 처리 모듈; 및
상기 생성된 다음 세대 개체군에 대해 기설정된 종료 조건을 만족하는지 여부에 따라 개체 진화 종료를 결정하고, 상기 개체 진화가 종료되면 종료 세대의 개체군 중 적어도 하나의 상기 최적화 개체를 검출하는 최적화 개체 검출 모듈을 포함하는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치.
The method according to claim 1,
The topology generator may include:
An initial entity generation module for generating a plurality of topologies as an initial population based on the characteristic graph of the router model and the application task;
A fitness evaluation module for evaluating a fitness through the fitness function for the generated population including the initial population to select an object to be evolved;
An entity evolution processing module for generating a next generation population by processing a crossover operation and a mutation operation on the object to be advanced; And
An optimization object detection module for determining the end of the individual evolution according to whether the generated next generation population satisfies predetermined termination condition and for detecting at least one of the population of the end generation population when the individual evolution is terminated Comprising a hybrid optical network-on-chip topology design apparatus.
제 2 항에 있어서,
상기 초기 개체 생성 모듈 및 상기 개체 진화 처리 모듈은 각각,
상기 HONoC의 토폴로지를 구현할 복수의 라우터를 랜덤하게 선택하고, 상기 선택된 라우터에 코어를 랜덤하게 매핑하고, 상기 선택된 라우터 별로 매핑된 코어들 간의 통신에서 최소 경로에 따른 라우팅 경로를 설정하여 개체를 생성하되,
상기 코어 별로 사전에 상기 애플리케이션 태스크가 매핑된 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the initial entity creation module and the entity evolution processing module each include:
A plurality of routers to implement the HONoC topology are randomly selected, a core is randomly mapped to the selected router, a routing path is set according to a minimum path in communication between the mapped cores for each selected router, ,
Wherein the application task is mapped in advance for each core.
제 2 항에 있어서,
상기 교차 연산은,
이전 세대에서 복수의 부모 개체를 선택하여 새로운 자식 개체를 생성하여 개체군을 진화시키는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치.
3. The method of claim 2,
The cross-
A hybrid optical network-on-a-chip topology design device that selects multiple parent entities in a previous generation to generate new child entities and evolve the population.
제 3 항에 있어서,
상기 변이 연산은,
현재 세대에 포함된 적어도 하나의 개체에 대해, 포함된 라우터를 제거 또는 추가하고, 상기 코어 중 적어도 하나의 코어가 매핑된 라우터를 변경하고, 적어도 하나의 통신의 경로를 변경하는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 장치.
The method of claim 3,
The shift operation may include:
A hybrid optical network-on-chip &lt; RTI ID = 0.0 &gt; (CHIP) &lt; / RTI &gt; chip for removing or adding an included router to at least one entity included in the current generation, changing a router to which at least one core of the cores is mapped, Of a topology design apparatus.
제 2 항에 있어서,
상기 종료 조건은,
사전에 설정된 세대(generation)에 도달하는 경우 또는 상기 개체군이 더 이상 진화하지 못하는 경우로 설정되는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩 토폴로지 설계 장치.
3. The method of claim 2,
The termination condition may be,
And when the predetermined generation is reached or when the population is no longer evolving, the hybrid optical network-on-a-chip topology designing apparatus is set.
제 6항에 있어서,
상기 최적화 개체 검출 모듈은,
상기 종료 세대에서 적합도가 최고인 개체를 상기 최적화된 토폴로지로 검출하는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩 토폴로지 설계 장치.
The method according to claim 6,
The optimization object detection module includes:
And detects the best fit object in the end generation with the optimized topology.
하이브리드 광학 네트워크 온 칩(Hybrid Optical Networks-On-Chip, HONoC)의 토폴로지 설계 장치를 통한 토폴로지 설계 방법에 있어서,
라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프를 입력받는 단계;
상기 라우터 모델 및 애플리케이션 태스크의 특성화 그래프에 기초하여 복수의 토폴로지를 초기 개체군으로서 생성하는 단계;
상기 초기 개체군에 대해 기설정된 적합도 함수를 통한 적합도를 평가하여 진화 대상 개체를 선택하는 단계; 및
상기 진화 대상 개체에 대해 교차 연산 및 변이 연산을 처리하여 다음 세대 개체군을 생성하는 단계를 포함하되,
상기 다음 세대 개체군에 대해 기설정된 종료 조건을 만족하는지 여부에 따라 개체 진화 반복 및 개체 진화 종료 중 어느 하나를 결정하고,
상기 개체 진화가 종료되면 종료 세대의 개체군 중 적어도 하나의 최적화 개체를 최적화된 토폴로지로 검출하며,
상기 적합도 함수는,
상기 HONoC에 포함된 광 도파관의 교차 손실 및 마이크로 링 공명기의 삽입 손실에 기초하여 산출된 광신호 전력 손실 비용, 및 상기 HONoC에서의 광학적 연결의 대역폭 및 광학적 경로 충돌 발생 시 워스트 케이스 응답 시간에 기초하여 산출된 경로 충돌 비용에 기초하여 설정된 것인 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 방법.
A topology design method using a topology design apparatus of a hybrid optical network-on-chip (HONOC)
Receiving a characterization graph of a router model and an application task;
Generating a plurality of topologies as an initial population based on the graph of the router model and the application task;
Selecting an object to be evolved by evaluating a fitness through a fitness function predetermined for the initial population; And
And generating a next generation population by processing cross-calculation and mutation operations on the object to be evolved,
Determining whether to repeat the individual evolution and the termination of the individual evolution according to whether or not the predetermined termination condition is satisfied for the next generation population,
When the entity evolution is completed, detecting at least one optimization entity among the population of the end generation as an optimized topology,
Wherein the fitness function comprises:
Based on the optical signal power loss cost calculated based on the cross loss of the optical waveguide included in the HONoC and the insertion loss of the microring resonator, and the bandwidth of the optical connection in the HONoC and the worst case response time in the occurrence of optical path collision Wherein the path cost is set based on the calculated path collision cost.
제 8 항에 있어서,
상기 초기 개체군 및 상기 다음 세대 개체군은 각각,
상기 HONoC의 토폴로지를 구현할 복수의 라우터를 랜덤하게 선택하고,
상기 선택된 라우터에 코어를 랜덤하게 매핑하고,
상기 선택된 라우터 별로 매핑된 코어들 간의 통신에서 최소 경로에 따른 라우팅 경로를 설정하여 생성되며,
상기 코어 별로 사전에 상기 애플리케이션 태스크가 매핑된 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein said initial population and said next generation populations are each,
A plurality of routers to implement the topology of the HONoC are randomly selected,
Randomly mapping a core to the selected router,
And generating a routing path according to a minimum path in communication between mapped cores for each selected router,
Wherein the application task is mapped in advance for each core.
제 8 항에 있어서,
상기 종료 조건은,
사전에 설정된 세대(generation)에 도달하는 경우 또는 상기 개체군이 더 이상 진화하지 못하는 경우로 설정되는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 방법.
9. The method of claim 8,
The termination condition may be,
Wherein the population is set to reach a preset generation or when the population is no longer evolving.
제 10 항에 있어서,
상기 종료 세대에서 적합도가 최고인 개체를 상기 최적화된 토폴로지로 검출하는 하이브리드 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 설계 방법.
11. The method of claim 10,
And detecting an object with the highest fitness in the end generation with the optimized topology.
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