On-Chip Networks 2nd 2017

This book targets engineers and researchers familiar with basic computer architecture concepts who are interested in learning about on-chip networks. This work is designed to be a short synthesis of the most critical concepts in on-chip network design. It is a resource for both understanding on-chip network basics and for providing an overview of state of-the-art research in on-chip networks. We believe that an overview that teaches both fundamental concepts and highlights state-of-the-art designs will be of great value to both graduate students and industry engineers. While not an exhaustive text, we hope to illuminate fundamental concepts for the reader as well as identify trends and gaps in on-chip network research. ### On-Chip Networks (NoC) 第二版 #### 知识点概述 **On-Chip Networks (NoC)** 是一种用于在芯片内部实现高效数据通信的技术。随着现代计算系统中核心数量的增加，传统的总线架构已经无法满足日益增长的数据传输需求。因此，NoC作为一种更有效的解决方案被提出和发展起来。 ### 一、On-Chip Networks 基础概念 #### 1.1 NoC 的定义 NoC是一种基于网络的通信结构，用于连接芯片上的多个处理单元（如处理器核、存储器控制器等）。它通过一系列网络节点和互连线路来实现数据包的路由和传输，类似于互联网中的数据传输方式。 #### 1.2 NoC 的优势 - **扩展性**: NoC可以支持大量核心之间的通信，易于扩展。 - **可预测性**: 提供了更可预测的延迟性能。 - **能耗效率**: 相对于传统总线架构，在大规模多核系统中具有更好的能耗效率。 - **灵活性**: 可以根据不同的应用需求定制网络拓扑结构。 ### 二、NoC 设计的关键概念 #### 2.1 拓扑结构 NoC的拓扑结构决定了其物理布局以及节点之间的连接方式。常见的拓扑包括： - **二维网格**: 最简单且最常用的拓扑之一。 - **环形网络**: 具有低延时特性的拓扑结构。 - **蝶形网络**: 在大规模并行系统中有很好的扩展性和负载均衡能力。 #### 2.2 路由算法 路由算法是决定数据包如何在网络中传输的关键。主要的路由策略包括： - **最短路径路由**: 数据包总是沿着最短路径传输。 - **维度有序路由**: 在多维网络中，数据包沿着一个维度移动到目标位置。 - **随机化路由**: 为数据包提供多种可能的路径选择，有助于避免拥堵。 #### 2.3 流量控制 流量控制机制确保网络中的数据包不会造成过载或拥塞。主要方法包括： - **信用制**: 接收端向发送端反馈可用缓冲区的数量。 - **窗口制**: 定义了一个允许发送数据包的最大数量。 - **虚拟通道**: 通过划分物理信道为多个虚拟信道来避免死锁。 ### 三、NoC 研究现状与趋势 #### 3.1 当前研究热点 当前NoC领域的研究重点集中在以下几个方面： - **能量效率**: 如何减少NoC的能量消耗。 - **可靠性**: 面对制造缺陷和运行时故障时的鲁棒性设计。 - **性能优化**: 通过改进路由和调度算法提高整体性能。 #### 3.2 未来发展趋势 随着技术的进步，NoC领域可能出现以下趋势： - **3D IC 技术**: 使用垂直堆叠的方式进一步减小延迟。 - **光通信**: 采用光子学技术来实现更高的带宽和更低的功耗。 - **神经形态计算**: NoC在神经形态计算系统中的应用越来越广泛。 ### 四、NoC 在现代计算机体系结构中的作用 #### 4.1 在高性能计算中的应用 在高性能计算中，NoC能够提供高带宽、低延迟的通信，适用于大规模并行计算任务。 #### 4.2 在嵌入式系统中的应用 嵌入式系统往往对功耗和成本有严格要求，NoC的设计可以优化这些方面的表现。 #### 4.3 在数据中心的应用 随着数据中心规模的不断扩大，NoC技术在服务器芯片内部的部署变得越来越重要。 ### 结论 On-Chip Networks 是现代多核和片上系统架构中的关键技术之一，它不仅解决了传统总线架构在扩展性和性能方面的局限性，还为高性能计算、嵌入式系统和数据中心等领域提供了强大的支持。随着技术的不断进步，NoC将继续发挥重要作用，并成为未来计算系统设计中的核心组成部分。