對片上網(wǎng)絡(luò)低功耗的分析

摘要： 片上系統(tǒng)（SoC） 發(fā)展到片上網(wǎng)絡(luò)（NoC） , 能量消耗逐漸成為芯片設(shè)計(jì)的首要限制因素。通過建立CMOS 電路和網(wǎng)絡(luò)通訊2 個(gè)層面不同的功耗模型， 從集成電路不同的設(shè)計(jì)層次、片上網(wǎng)絡(luò)通訊功耗以及NoC 映射問題等方面進(jìn)行NoC 的低功耗設(shè)計(jì)， 綜合分析NoC 的低功耗設(shè)計(jì)方法。

引言：隨著單個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)量超過10 億數(shù)量級， 能量消耗已經(jīng)逐漸成為芯片設(shè)計(jì)的首要限制因素。集成電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)也從芯片的功能需求轉(zhuǎn)變?yōu)楣男枨?。NoC作為未來芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展方向， 研究其功耗問題意義重大。　　

1 功耗模型

　　1. 1 CMOS 邏輯電路的功耗模型

　　集成電路的功耗主要由動(dòng)態(tài)功耗、短路功耗、靜態(tài)功耗和漏電流功耗4 個(gè)方面組成 。

　?。?1） 動(dòng)態(tài)功耗是電路中的節(jié)點(diǎn)電容充放電行為產(chǎn)生的， 可以由以下表達(dá)式表述：

　　式中： Vdd為電源電壓； Ci 為被充放電的節(jié)點(diǎn)電容； i為節(jié)點(diǎn)活性因子（ 表示節(jié)點(diǎn)電容充放電的平均次數(shù)與開關(guān)頻率的比值） ; f 為開關(guān)頻率。

　　（ 2） 短路功耗是在一定條件下電源到地產(chǎn)生的短路電流形成的， 其表達(dá)式為：

　　式中： k 由工藝和電壓決定； W 為晶體管的寬度； τ為輸入信號(hào)的上升/ 下降時(shí)間； f 為開關(guān)頻率。

　?。?3） 靜態(tài)功耗是電路在穩(wěn)定時(shí)所形成的功耗。

　?。?4） 漏電流功耗是指由亞閥值電流和反向偏壓電流造成的功耗。

　　以靜態(tài)CMOS 電路為主的集成電路中， 動(dòng)態(tài)功耗是整個(gè)電路功耗的主要組成部分， 其次為短路功耗， 而靜態(tài)功耗和漏電流功耗在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)[ 23] 。

　　分析動(dòng)態(tài)功耗的構(gòu)成公式可以得出降低電源電壓、減小電路節(jié)點(diǎn)電容和節(jié)點(diǎn)開關(guān)活性等方法， 從而降低集成電路的功耗。

　　集成電路的動(dòng)態(tài)功耗與電源電壓的平方成正比關(guān)系， 因此， 降低電源電壓可以大幅度減少功耗。但一般電源電壓Vdd應(yīng)不小于閥值電壓V t 的2~ 3 倍，如果電源電壓小到接近閥值電壓， 電路的延遲會(huì)明顯加大， 因此， 為了保證電路的性能， 可以采用適當(dāng)?shù)偷拈y值電壓V t 。但V t 也不能無限制的降低， 必須保持一定的噪聲裕度， 而且當(dāng)V t 下降時(shí)， 漏電流造成的功耗也會(huì)相應(yīng)增加。

　　從另一方面考慮動(dòng)態(tài)功耗是電路中節(jié)點(diǎn)電容的充放電行為產(chǎn)生的， 節(jié)點(diǎn)充放電的頻率是一個(gè)重要的參數(shù)， 而節(jié)點(diǎn)活性因子正是反映節(jié)點(diǎn)充放電的頻率的參數(shù)， 電路的有效電容是節(jié)點(diǎn)活性因子與節(jié)點(diǎn)電容的乘積。避免無用的充放電行為， 采用各種低活性的電路結(jié)構(gòu)可以降低功耗。

　　1. 2 片上網(wǎng)絡(luò)通訊功耗模型：

　　Or io n 提出的功耗模型（ Pow er Model ），是首次提出的運(yùn)用在網(wǎng)絡(luò)中的功耗模型。片上網(wǎng)絡(luò)（ NoC） 將網(wǎng)絡(luò)通信的原理引入到片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 適用Pow er Model 功耗模型。片上網(wǎng)絡(luò)通訊功耗是指片上網(wǎng)絡(luò)的任意資源節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通訊所產(chǎn)生的功耗， 在Pow er Model 功耗模型中傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)片（ f lit ） 的功耗用Eflit 表示。

　　　　式中： Ebuf 表示緩沖器的功耗； E ar b表示仲裁的功耗；E xb表示交叉開關(guān)（ Crossbar） 的功耗； Ecn = Ebuf+ Earb+ Exb表示通訊節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的功耗； Elnk 表示通道（ link ）的功耗。假設(shè)H 表示數(shù)據(jù)片經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)， 數(shù)據(jù)片（ f lit） 從資源節(jié)點(diǎn)Ri 傳輸?shù)劫Y源節(jié)點(diǎn)R j 的功耗：

　　當(dāng)H = D 時(shí)， 此時(shí)的功耗為最低， 即：

　　這里的D 是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)采用最短路由算法所得的曼哈頓距離（ Manhattan Distance） 。

　　2 降低功耗的辦法：

　　2. 1 集成電路不同的設(shè)計(jì)層次：

　　文獻(xiàn)[ 5] 介紹了工藝級低功耗設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)這一設(shè)計(jì)層次的低功耗方法。版圖級低功耗設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)基于Elmore 模型， 優(yōu)化電路的主要功耗是互連線的功耗。布局布線技術(shù)從只考慮面積和延時(shí)的因素， 發(fā)展到通過加入來自設(shè)計(jì)前端的信號(hào)活動(dòng)信息以實(shí)現(xiàn)對功耗的優(yōu)化。門級低功耗設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)包括時(shí)序調(diào)整、公因子提取、工藝映射、門尺寸優(yōu)化和路徑平衡等方法[ 67] 。文獻(xiàn)[ 6 ] 介紹的時(shí)序調(diào)整（ Ret iming） 方法通過插入新的寄存器或重新安排寄存器的位置， 達(dá)到減少門的翻轉(zhuǎn)頻率或減少通過流水線的最長段延遲， 以此減少功耗。文獻(xiàn)[ 7] 利用公因子提取方法實(shí)現(xiàn)了多級電路的低功耗。工藝映射方法把翻轉(zhuǎn)率高的節(jié)點(diǎn)隱藏到負(fù)載電容小的門單元的內(nèi)部， 從而降低功耗。門尺寸優(yōu)化方法是對非關(guān)鍵路徑的門縮小尺寸從而減小面積和功耗。路徑平衡方法通過避免多余的偽跳變從而節(jié)省功耗。RTL 結(jié)構(gòu)級低功耗設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)這一層次的低功耗方法包括邏輯綜合和優(yōu)化技術(shù)及并行設(shè)計(jì)（ Parallelism） 和流水線設(shè)計(jì)（ Pipeline） 技術(shù)。并行設(shè)計(jì)和流水線設(shè)計(jì)是通過增大面積來提升性能和減低功耗， 采用并行設(shè)計(jì)后， 電路面積每增長n 倍， 電容增大n 倍， 對應(yīng)的頻率和電壓下降n 倍， 因?yàn)楣呐c電壓的平方成正比，所以功耗可以降低n2 倍。系統(tǒng)級低功耗設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)這一層次的低功耗技術(shù)包括軟硬件劃分、存儲(chǔ)器優(yōu)化[ 8] 、指令級優(yōu)化、動(dòng)態(tài)功耗管理[ 9] 和總線低功耗設(shè)計(jì)等。

　　2. 2 片上網(wǎng)絡(luò)通訊方面：

　　2. 2. 1 內(nèi)部緩沖器功耗：

　　發(fā)生競爭時(shí)， 需要內(nèi)部緩存臨時(shí)儲(chǔ)存低優(yōu)先級的分組。在開關(guān)結(jié)構(gòu)電路中， 緩存通常用共享的靜態(tài)RAM 或者動(dòng)態(tài)RAM 儲(chǔ)存器實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)器訪問消耗的能量由輸入分組之間的競爭決定。目的地競爭是獨(dú)立于應(yīng)用的， 不管是用何種開關(guān)結(jié)構(gòu)體系?；ミB線競爭依賴于開關(guān)結(jié)構(gòu)體系， 不同的體系拓?fù)鋾?huì)產(chǎn)生不同的競爭， 因此， 可以通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善儲(chǔ)存器訪問的功耗。

　　2. 2. 2 通道的功耗：

　　假設(shè)有一個(gè)基于RailtoRail 結(jié)構(gòu)的撥動(dòng)開關(guān)，通道上的位能量Eln k可以通過以下公式計(jì)算：