Введение

Подсистема электронной связи на интегральной схеме

Сеть на кристалле (NoC, /ɛ//n/, /oʊ/'s//iː/ enohSEE или /n//ɒ//k/ knock) – это сетевая подсистема связи на интегральной схеме ("микрочипе"), как правило, между модулями в системе на кристалле (SoC). Модули на ИС обычно представляют собой полупроводниковые IP-ядра, реализующие различные функции компьютерной системы, и спроектированы с учетом модульности, характерной для сетевой науки. Сеть на кристалле – это сеть коммутации пакетов на основе маршрутизаторов между модулями SoC. Технология NoC применяет теорию и методы компьютерных сетей к внутрикристальной связи, обеспечивая значительные улучшения по сравнению с традиционными шинными и кроссбарными архитектурами связи. Сети на кристалле реализуются в различных сетевых топологиях, многие из которых по состоянию на 2018 год оставались экспериментальными. В 2000-х годах исследователи начали предлагать тип внутрикристального соединения в виде сетей коммутации пакетов для решения проблем масштабируемости, связанных с шинной архитектурой. Более ранние исследования предлагали схему маршрутизации пакетов данных вместо маршрутизации проводников. Концепция "сети на кристалле" была предложена в 2002 году. NoC повышают масштабируемость систем на кристалле и энергоэффективность сложных SoC по сравнению с другими конструкциями подсистем связи. Это развивающаяся технология, прогнозируемый рост которой в ближайшем будущем связан с распространением многоядерных компьютерных архитектур.

Структура

NoC могут охватывать синхронные и асинхронные домены тактирования, что известно как пересечение доменов тактирования, или использовать асинхронную логику без тактирования. NoC поддерживают глобально асинхронные, локально синхронные электронные архитектуры, позволяя каждому процессорному ядру или функциональному блоку в системе на кристалле (SoC) иметь свой собственный домен тактирования.

Архитектура

Архитектуры NoC обычно моделируют разреженные сети малого мира (SWN) и сети безмасштабного типа (SFN) для ограничения количества, длины, площади и энергопотребления межсоединений и соединений точка-точка.

Топология

Топология определяет физическую структуру и соединения между узлами и каналами. Сообщение проходит через переходы, и длина канала каждого перехода зависит от топологии. Топология оказывает значительное влияние как на задержку, так и на энергопотребление. Более того, поскольку топология определяет количество альтернативных маршрутов между узлами, она влияет на распределение сетевого трафика и, следовательно, на достижимую пропускную способность и производительность сети.

Преимущества

Традиционно, интегральные схемы проектировались с выделенными соединениями точка-точка, где каждый сигнал имел свой собственный провод. Это приводит к плотной топологии сети. Для больших проектов, в частности, это создает ряд ограничений с точки зрения физического проектирования. Это требует энергопотребления, квадратично зависящего от количества соединений. Провода занимают значительную часть площади кристалла, а в нанометровой КМОП-технологии межсоединения доминируют как над производительностью, так и над динамическим энергопотреблением, поскольку распространение сигнала по проводам на кристалле требует нескольких тактовых циклов. Это также способствует увеличению паразитной емкости, сопротивления и индуктивности в схеме. (См. правило Рента для обсуждения требований к разводке для соединений точка-точка). Разреженность и локальность соединений в подсистеме связи обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционными системами на основе шин и матриц соединений.

Параллелизм и масштабируемость

Провода в каналах связи сети на кристалле используются для передачи множества сигналов. Достигается высокий уровень параллелизма, поскольку все каналы данных в NoC могут одновременно обрабатывать различные пакеты данных. Следовательно, по мере роста сложности интегрированных систем, NoC обеспечивает повышенную производительность (например, пропускную способность) и масштабируемость по сравнению с предыдущими архитектурами связи (такими как выделенные проводники от точки к точке, общие шины или сегментированные шины с мостами). Алгоритмы должны быть разработаны таким образом, чтобы обеспечивать высокую степень параллелизма и, таким образом, эффективно использовать возможности NoC.

Текущие исследования

Некоторые исследователи считают, что сети на чипе (NoC) должны поддерживать качество обслуживания (QoS), то есть обеспечивать различные требования с точки зрения пропускной способности, задержек от конца до конца, справедливости и соблюдения сроков. Вычисления в реальном времени, включая воспроизведение аудио и видео, – одна из причин для обеспечения поддержки QoS. Однако современные системные реализации, такие как VxWorks, RTLinux или QNX, способны достигать вычислений в реальном времени с задержкой менее одной миллисекунды без специального оборудования. Это может свидетельствовать о том, что для многих приложений реального времени существующего качества обслуживания инфраструктуры межсоединений на кристалле достаточно, а для достижения микросекундной точности потребуется специализированная аппаратная логика, которая редко необходима на практике для конечных пользователей (звуковые или видеопотоки требуют лишь гарантии задержки в десятые доли миллисекунды). Другая мотивация для обеспечения качества обслуживания на уровне NoC (QoS) – поддержка нескольких одновременных пользователей, совместно использующих ресурсы многопроцессорного чипа в инфраструктуре публичных облачных вычислений. В таких случаях аппаратная логика QoS позволяет поставщику услуг предоставлять договорные гарантии уровня обслуживания, получаемого пользователем, что может быть востребовано некоторыми корпоративными или государственными клиентами. Остается множество сложных исследовательских задач, требующих решения на всех уровнях – от уровня физических каналов связи через сетевой уровень и до системной архитектуры и прикладного программного обеспечения. Первый специализированный исследовательский симпозиум по сетям на чипе был проведен в Принстонском университете в мае 2007 года. Второй Международный симпозиум IEEE по сетям на чипе состоялся в апреле 2008 года в Ньюкаслском университете. Проводятся исследования интегрированных оптических волноводов и устройств, составляющих оптическую сеть на чипе (ONoC). Одним из возможных способов повышения производительности NoC является использование беспроводных каналов связи между чиплетами – так называемых беспроводными сетями на чипе (WiNoC).

Побочные преимущества

В многоядерной системе, соединенной посредством NoC, сообщения когерентности и запросы на пропуск кэша должны проходить через коммутаторы. Соответственно, коммутаторы могут быть дополнены простыми элементами отслеживания и пересылки для определения блоков кэша, которые будут запрошены в будущем отдельными ядрами. Затем элементы пересылки широковещательно рассылают любой запрошенный блок всем ядрам, которые потенциально могут запросить этот блок в будущем. Этот механизм снижает частоту промахов кэша.

Сравнительные показатели

Разработка и изучение NoC требуют сопоставления различных предложений и вариантов. Для проведения таких оценок разрабатываются модели трафика NoC. К существующим эталонным тестам NoC относятся NoCBench и MCSL NoC Traffic Patterns.

Процессорная единица межсоединения

Интерконнектная процессорная единица (IPU) — это коммуникационная сеть на кристалле, включающая аппаратные и программные компоненты, которые совместно реализуют ключевые функции различных моделей программирования систем на кристалле посредством набора примитивов связи и синхронизации и предоставляют платформенные сервисы низкого уровня для поддержки расширенных возможностей в современных гетерогенных приложениях на одном кристалле.