對(duì)片上網(wǎng)絡(luò)低功耗的分析

　　其中： Cw ire 為通道的線電容， Cinput 為連接到互連線上的輸入門的總電容。Cw = Cwire+ Cinput 為位傳播的總負(fù)載電容。

　　互連線電容的充放電行為決定了通道互連線的功耗。因此， 兩方面的技術(shù)可以采用， 一是盡可能減小開關(guān)活性， 二是采用基于漢明距離的低功耗編碼技術(shù)。

　　2. 2. 3 開關(guān)功耗：

　　不同的開關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能（ 如延遲、吞吐量、功耗等） 的影響不同。下面分析交換結(jié)構(gòu)中功耗問題和對(duì)具有不同數(shù)目出口和入口的交換結(jié)構(gòu)體系的功耗估計(jì)方法。

　　2. 2. 3. 1 Crossbar 開關(guān)結(jié)構(gòu)[ 10]

　　Cr ossbar 拓?fù)鋵?duì)輸入輸出之間的連接使用空間劃分多路選擇器。如圖2 所示， 每個(gè)輸入輸出連接有自己的專用數(shù)據(jù)路徑， 因此， Crossbar 結(jié)構(gòu)沒有互連競(jìng)爭(zhēng)。隨著輸入和輸出端口數(shù)的增加， 開關(guān)功耗將呈現(xiàn)線性增加， 對(duì)端口數(shù)多的開關(guān)結(jié)構(gòu)， 功耗將非常高。

　　　2. 2. 3. 2 全連接網(wǎng)絡(luò)[ 10]:

　　與Cro ssbar 網(wǎng)絡(luò)相似， 全連接網(wǎng)絡(luò)中也沒有互連競(jìng)爭(zhēng)， 在它們的功耗模型中沒有使用內(nèi)部緩沖器。每個(gè)全連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的位能量消耗在互連線和多路選擇器上， 多路選擇器的復(fù)雜度伴隨著輸入端數(shù)量的增加而更為復(fù)雜， 其功耗也隨之增大。

　　2. 2. 3. 3 Bany an 網(wǎng)絡(luò)[ 10]:

　　n 維Bany an 網(wǎng)絡(luò)有N = 2n個(gè)輸入和N = 2n個(gè)輸出， 在n 個(gè)階段開關(guān)的總數(shù)是1/ 2 N ! log2 N , 每個(gè)階段用i 表示（ 0 ? i ? n） 。Banyan 網(wǎng)絡(luò)中同一互連可能被不同的數(shù)據(jù)路徑共享， 從而存在互連競(jìng)爭(zhēng)問題， 在每個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)開關(guān)中需要設(shè)置一個(gè)緩沖器。

　　Bany an 網(wǎng)絡(luò)中的二進(jìn)制開關(guān)比Cro ssbar 中的交叉節(jié)點(diǎn)開關(guān)更復(fù)雜， 當(dāng)位數(shù)據(jù)從輸入端口交換到輸出端口， 二進(jìn)制開關(guān)消耗的能量更多。

　　　2. 2. 3. 4 BatcherBanyan 網(wǎng)絡(luò)[ 10]:

　　該結(jié)構(gòu)由Batcher 排序網(wǎng)絡(luò)和Bany an 網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成， 其中， 競(jìng)爭(zhēng)問題由Batcher 排序網(wǎng)絡(luò)解決， 后面跟著Banyan 網(wǎng)絡(luò)。在排序網(wǎng)絡(luò)中， 每個(gè)輸入輸出競(jìng)爭(zhēng)都有自己的專用路徑， 從而不存在互連競(jìng)爭(zhēng)問題。

　　盡管BatcherBany an 網(wǎng)絡(luò)解決了互連競(jìng)爭(zhēng)問題， 但它是以增加輸入和輸出之間階段數(shù)為代價(jià)的， 它共有1/ 2（ log2 N） （ log2 N + 1） 階段， 這將增加位能量在開關(guān)和互連上的消耗。

　　互連競(jìng)爭(zhēng)在內(nèi)部緩沖器中引起大量的能量消耗，隨著吞吐量的增加， 緩沖器中的功耗將急劇增加。對(duì)端口數(shù)少的開關(guān)結(jié)構(gòu)， 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)開關(guān)功耗是主要的，對(duì)于端口數(shù)非常大的開關(guān)結(jié)構(gòu)， 互連線功耗將占支配地位。

　　不同的開關(guān)交換結(jié)構(gòu)體系其各自的功耗消耗主體不同， 可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求， 將芯片從整體上分成幾大部分， 各部分采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 以期實(shí)現(xiàn)芯片性能、面積和功耗的有機(jī)統(tǒng)一。

　　2. 3 NoC 映射問題：

　　NoC 映射是在給定IP 核庫(kù)和任務(wù)圖的基礎(chǔ)上，以某些設(shè)計(jì)約束（ 如延遲和功耗等） 為限制條件， 將每個(gè)任務(wù)分配到合適的IP 核上以及安排各個(gè)IP 核上任務(wù)的執(zhí)行順序， 然后再?zèng)Q定每個(gè)IP 核在NoC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位置。在映射時(shí)， 搜索空間隨著網(wǎng)絡(luò)尺寸的增長(zhǎng)呈現(xiàn)階乘遞增， 對(duì)于一個(gè)包含N 個(gè)IP 核的NoC, 映射有N ! 種可能結(jié)果， 因此， 映射問題是一個(gè)NPcomplete問題。

　　功耗優(yōu)先的映射問題就是在給定應(yīng)用特征圖和NoC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上， 將應(yīng)用特征圖中的每個(gè)處理單元分配到NoC 的資源節(jié)點(diǎn)上， 并且使整個(gè)系統(tǒng)的通訊功耗最小。以蟻群算法為典型的生物仿生算法在解決NoC 映射問題方面應(yīng)用比較廣泛 。

　　3 結(jié)束語(yǔ)：

　　NoC 是未來(lái)芯片發(fā)展的方向， 而功耗問題是No c 設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。本研究從不同的功耗模型出發(fā)， 從集成電路不同的設(shè)計(jì)層次、片上網(wǎng)絡(luò)通訊功方面以及NoC 映射問題來(lái)討論NoC 的低功耗設(shè)計(jì)， 綜合現(xiàn)有功耗解決的最新方案， 對(duì)NoC 的功耗研究做了一個(gè)比較全面的歸類分析。