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片上网络的容错性设计、测试及粒度建模

作　者: 杨岳明
导　师: 虞志益; 曾晓洋
学　校: 复旦大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 片上网络 20通径路由器容错模型容错路由算法片上网络测试粒度建模综合性能
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着集成电路生产工艺日益发展,集成度不断提高,基于总线SoC架构的诸多弊端日趋突出,片上网络架构应运而生。伴随着片上网络蓬勃发展,单芯片面积和晶体管门数也呈现出增大的趋势。然而与此同时,芯片在制造过程中产生的缺陷也随之增多,在使用过程中由于材料老化、电迁移、压力迁移、电介质击穿、热载流子注入,负偏压温度的不稳定性等失效因素也导致缺陷的增加。为了提高芯片的可靠性、良品率,延长芯片的使用寿命,容错方法在现代片上网络设计中显得尤其重要。本文在对NoC中的容错模型进行深入研究后,提出了一种容纳片上网络中双向链路的任意一条失效链路以及20通径细粒度路由器中任意一条失效通径的容错模型,该模型不仅能够容纳NoC中处于中间位置的失效链路和失效路由器通径,而且还能够容纳NoC中处理比较复杂的位于边界和角落的失效链路和失效通径。仿真结果表明,本文所提出的容错在链路和路由器通径的失效概率在2%时(失效链路平均7.2条,失效路由器通径平均40条),还能取得约93.3%的IP使用率基于容错模型,本文提出了一套部分自适应性的容错性路由算法,每个路由器只需存储40比特路由信息。该路由算法在尽量以最短路径传递数据的同时,还具有免死锁、活锁和饥饿等性质。分析结果显示该路由算法具有较强容错能力、可重构性和易扩展性等特性,及较高的网络吞吐率。测试是集成电路生产的必要环节,是容错性设计得以实现的前提。本文在综合介绍NoC中各模块故障模型和测试方法的基础上,整合了一套集测试路由器中FIFO,交换开关多路选择器和20通径以及路由器间链路的测试方法。通过合理的安排测试方法和步骤,用较小的测试硬件资源开销完成NoC的测试工作。结果表明：测试电路总面积占NoC中路由器总面积的比率随着NoC的扩大,呈现出减小的趋势。性能是NoC设计的重要指标之一,并且在考虑跟容错相关的良率及时间稳定性后其性能特性会有所变化。本文从处理器的粒度出发,提出的一种片上网络综合性能评估准则。通过多核处理器平均可达到性能、良品率和随时间稳定性进行理论建模与量化估计,综合评估多核处理器在考虑良品率和时间稳定性时的综合性能。并以指导片上网络高层设计或评估现今研究成果。分析结果显示出,在给定NoC总面积和一定的应用下,取得最高性能的NoC网格结构为3X3；然而考虑良品率也作为综合性能评估指标时,4x4的网格结构变为最优；当进一步考虑时间稳定性时,5x5或6x6网格的综合性能要更加高点。

全文目录

目录  2-5
主要英文缩略词表  5-6
图表索引  6-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
第1章绪论  12-20
  1.1 片上网络NoC产生的背景  12-15
    1.1.1 SoC的特点  12-13
    1.1.2 SoC的不足  13-14
    1.1.3 NoC的提出  14-15
  1.2 NoC国内外的研究现状  15-16
  1.3 片上网络容错和测试的必要性  16-17
  1.4 考虑良率和使用寿命的NoC粒度建模  17-18
  1.5 本文主要研究内容  18
  1.6 本文组织结构安排  18-20
第2章 NoC相关研究问题  20-33
  2.1 网络拓扑结构  20-21
  2.2 路由器结构  21-25
    2.2.1 输入输出缓冲单元  22-23
    2.2.2 路由计算  23-24
    2.2.3 虚拟通道仲裁和输出通道分配  24-25
    2.2.4 交换开关  25
  2.3 包交换技术  25-26
  2.4 NoC容错性设计  26-29
    2.4.1 容错模型  27-28
    2.4.2 容错路由算法  28-29
  2.5 NoC测试  29-30
  2.6 评价标准和服务质量  30-32
  2.7 本文路由器结构  32-33
第3章片上网络容错模型和容错性路由算法  33-47
  3.1 20通径路由器  33
  3.2 容错模型  33-39
    3.2.1 容错模型提出  33-36
    3.2.2 边界、角落路由器处理  36-37
    3.2.3 可用IP  37-39
  3.3 路由算法  39-44
    3.3.1 存储的路由信息  40
    3.3.2 虚拟通道数据分配  40-42
    3.3.3 容错性路由算法实现  42-44
    3.3.4 免死锁和活锁  44
  3.4 评估  44-47
    3.4.1 容错能力  44-45
    3.4.2 算法特性  45-47
第4章片上网络测试  47-58
  4.1 常见模块测试方法  47-51
    4.1.1 路由器间连线测试  47-48
    4.1.2 路由器FIFO测试  48-49
    4.1.3 路由器逻辑模块测试  49-50
    4.1.4 路由器交换开关测试  50
    4.1.5 路由器中连线测试  50-51
  4.2 同一电路测试多模块  51-54
    4.2.1 测试电路拓扑结构  51-52
    4.2.2 控制器  52-53
    4.2.3 卫星  53-54
  4.3 测试方法及步骤  54-56
    4.3.1 并行测试方法  54-55
    4.3.2 测试步骤  55-56
  4.4 测试比较  56-58
第5章芯片实现  58-63
  5.1 路由器电路实现  58-59
  5.2 测试电路实现  59-60
  5.3 收发数据IP电路实现  60
  5.4 10×102D-mesh NoC芯片实现  60-63
第6章 NoC粒度建模  63-71
  6.1 模型参数  63-64
  6.2 NOC性能建模  64
  6.3 多核处理器良品率建模  64-65
  6.4 多核处理器时间稳定性建模  65-67
  6.5 综合评估指标  67-69
  6.6 实例分析  69-71
第7章总结与展望  71-73
  7.1 总结  71-72
  7.2 展望  72-73
参考文献  73-78
硕士学习期间录用和发表的学术论文  78-79
致谢  79-80

片上网络的容错性设计、测试及粒度建模

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