互联网络

片上网络(NoC)

单芯片多处理器系统(Chip Multiprocessor,CMP)通过在单款芯片上集成多个处理器和以挖掘线程级并行和任务级并行。

然而,传统的总线和交叉开关等片上互联结构的可扩展性较差,它们只能满足较少量的计算核的通信需求。因此,人们将“报文交换”的思想引入片上互联结构中,提出了“片上网络”(Network on Chip,NoC)的概念。

结构

网络的每个节点包含一个处理器核和一个路由器。处理器核通过网络接口将报文注入网络,或者从网络接收报文,路由器通过物理链路在网络节点间转发报文。

优点

与传统的总线和交叉开关等片上互联结构相比,片上网络具有以下特点和优势:

  1. 更高的可扩展性和可重用性。当增加处理器核数时,只需要在片上网络中增加相应数量的路由器和网络接口,不需要重新设计整个网络。片上网络的开销与网络节点数目成线性关系,易于扩展。新增路由器与现有路由器的结构基本相同,可以复用路由器设计。
  2. 通过路由器将芯片长连线切分成多条短连线,从而可以控制通信延迟和功耗。
  3. 采用分布式控制策略,比采用集中式控制策略的总线支持更高的事务并发性。
  4. 由于片上网络时相互独立的,它可以采用全局异步局部同步(Global Asynchronous Local Synchronous,GALS)的时钟策略,将网络划分成多个细粒度时钟域,独立控制每个时钟域的电压和频率,灵活管理功耗。

片上网络与片外网络的差异

片上网络与片外网络都采用了“报文交换”的思想,但有许多差异:

  1. 片上网络互联的是单个芯片上的多个处理器;而片外网络是用于超级计算机和集群系统的。
  2. 链路资源差异。现代集成电路的多层互联金属层为片上网络提供了丰富的连线资源,允许相邻路由器间的链路带宽达到数百位;然而对于片外网络,受限于芯片引脚数目限制,片外网络的链路带宽仅为数十位。
  3. 延迟构成差异。片上网络相邻路由器之间距离较短,一般可以在一个时钟周期内完成链路传输;片外网络相邻路由器之间距离较大,链路传输需要多个时钟周期。然而较小的片上网络链路延迟增加了路由器延迟对新能的影响。
  4. 串行总线Vs并行总线。片上网络主要采用并行总线,但由于片外并行总线的串扰难以控制,片外网路大多采用串行总线。
  5. 面积和功耗资源。片上网络与处理器核竞争芯片有限的面积和功耗资源,与采用独立芯片实现的片外网络路由器相比,片上网络路由器面临着更为严格的面积和功耗限制。