一種基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法與流程

2023-10-10 04:26:49 1

本發明主要涉及到微處理器的片上網絡領域，特指一種基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法。

背景技術：

隨著集成電路製造工藝遵循摩爾定律的快速發展，片上集成度的指數增長，微處理器等複雜的集成電路晶片的功耗越來越大，已經接近封裝和散熱的極限，不但帶來生產和運維成本的增加，而且給晶片的穩定性帶來巨大挑戰。三維片上網絡（3D-NoC）技術減小了全局互連線的長度並且以更低的功耗提供了更大的帶寬。然而由於互連線的縮短以及流量的增加產生了大量的熱量，為了減小面積、延遲等，眾核的排列更為緊密，由於塊堆疊以及更大功耗密度導致散熱更加的困難，從而導致更高的功耗密度，因此會導致更嚴重的溫度問題。同時，更長的熱消散路徑以及不同層之間的熱導不同，導致即使一個流量分配平衡的網絡，溫度的分配也是不平衡的。溫度問題會影響系統性能，增加漏流功耗，這些反過來又作用於溫度，進一步導致更加嚴重的溫度問題，因此大部分的微處理器的廠商將對CPU主存的競爭轉向對整體體系結構的研究，做到性能和功耗的均衡。

在三維片上網絡（NoC）體系結構中，不同的互連模塊通過路由節點連接，一個三維Mesh 拓撲結構的NoC，每個節點都嵌入一個路由器負責與相鄰節點連接，每個路由器有東（E）、南（S）、西（W）、北（N）、上（UP）、下（DOWN）和本地（LO）七個埠，每個埠帶有相應的輸入緩衝區，其中本地埠與處理節點相連。在NoC 設計中，緩衝區大小直接影響數據包的傳輸延時，因此對存在嚴重資源限制的NoC的緩衝區資源做出合理的分配是NoC 研究的熱點之一。

為了解決溫度問題，一些在時間和空間上對溫度進行管理的方法被普遍的提出和應用，其中最主要的是動態溫度管理和溫度感知自適應路由。對於採用動態溫度管理的方法，會極大的降低網絡的有效性並導致較低的吞吐率，使規則的拓撲結構將會變的不規則，流量將會被擁塞在扼殺節點處，增大傳輸延時，極大影響了整個系統的性能和吞吐率；對於一些路由調節算法，以前大部分的工作只考慮了溫度問題或是只考慮了流量問題，傳統的選擇策略基於溫度問題進行路徑的選擇會導致局部的擁塞問題，造成流量的極大不均衡並由此導致溫度的不平衡，基於流量信息進行路徑的選擇導致未察覺潛在的熱點，造成巨大的性能影響。

綜上所述，將動態溫度管理方法和自適應路由算法相結合將會成為解決大規模3D-NoC問題的很好的方法。在這一方面，當前最新的技術是一種簡單的動態緩衝區擁塞感知路由技術，這種技術根據相鄰路由間的溫度增長率的比值來進行緩衝區的動態調控，在路由方面採用環形擁塞感知路由和垂直路由相結合的路由選擇算法，在選擇策略方面採用一種基於緩衝區利用率大小的方法來進行路徑選擇。

但是上述方法仍然存在著一些問題，例如該技術採用的根據溫度增長率比值對緩衝區進行的調控不是很精確，僅考慮溫度的增長率會忽略溫度基數的問題，造成錯誤的調控；同時因為採用相鄰路由間的溫度增長率的比較，結合溫度增長率自身的特點會導致及其頻繁的調控，也會造成大量的功耗。該技術採用的垂直路由方法將大量的傳輸集中在底層，這樣雖然有降低溫度的可能性，但是會造成大量的擁塞，同時增加傳輸延遲。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原理簡單、易實現、功耗較低、準確度和靈活性高的基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法，其步驟為：

S1：計算溫度等級；獲得當前節點的溫度，預測得到下一時刻的溫度值，並得到當前溫度的變化速度，進一步得到經過t時間的溫度值；將溫度分為若干個等級，當t時間後的溫度值達到某等級時，給定溫度等級指示值；

S2：將溫度等級指示值作為分級指示信號送入與當前節點相連的周邊路由節點，根據分級指示信號對緩衝區大小進行調節。

作為本發明的進一步改進：所述步驟S1的具體步驟為：

S101：得到當前的溫度Tnow，預測得到下一時間的溫度Tpre，時間間隔為tk，由此計算出溫度的變化速度為(Tpre-Tnow)/tk；

S102：結合當前的溫度與給定的時間段t，計算t時刻後的溫度Tt=Tnow+t*( Tpre-Tnow) /tk；

S103：將溫度分為幾個等級，當溫度達到等級要求時，給定溫度等級指示值，用於下一階段緩衝區調控。

作為本發明的進一步改進：所述步驟S2中，當溫度增加達到設定等級時，將相應緩衝區調小；當溫度減小又低於設定等級時，將相應緩衝區調大，以達到緩衝區的階梯控制。

作為本發明的進一步改進：所述步驟S2中，在節點之間進行溫度等級信號的傳輸；當得到了相應的溫度等級信號後，每個節點與各個方向相鄰節點均由一個溫度等級指示信號線連接，用來傳輸溫度等級信號。

作為本發明的進一步改進：所述節點將一個方向上的溫度等級指示信號通過temp_level埠經過信號線temp_level_to_d傳輸給下個路由對應方向的temp_level_neighbor埠，其中d代指方向；每個路由通過每個方向上的temp_level_neighbor埠的信號值對每個方向上的緩衝區大小進行調節。

與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明的基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法，可以極為方便的得到當前節點的溫度等級，根據溫度等級，對其周邊路由相對於其方向上的緩衝區進行調整，具有調節方便，功耗低，溫控效果好的優點，最終能夠準確的控制緩衝區的大小，減少頻繁而無用的調控，降低調控所產生的總功耗，並且增加了調控的力度與靈活性。

附圖說明

圖1是本發明方法的整體流程示意圖。

圖2是本發明在具體應用實例中溫度等級的計算流程圖。

圖3是本發明在具體應用實例中進行緩衝區調節的流程示意圖。

圖4是本發明在具體應用實例中路由緩衝區的原理示意圖。

具體實施方式

以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。

本發明所提及的「緩衝區」是指路由的輸入緩衝區，用來緩存進入路由的飛片，等待路由計算、開關分配等一系列後續的操作。目前提出的大多數片上路由的緩衝區管理使用的是FIFO策略，使用簡單的蟲孔片上路由器結構，以飛片作為最小的流控單元進行傳輸控制，本發明正是基於上述的結構及功能提出了本調節方法。

如圖1所示，本發明的基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法，步驟為：

S1：計算溫度等級；

採用傳感器獲得當前節點的溫度，並根據預測算法得到下一時刻的溫度值，根據計算得到當前溫度的變化速度（溫度變化率），進一步得到經過t時間的溫度值；將溫度分為幾個等級，當t時間後的溫度值達到某等級時，給定溫度等級指示值，以便於下一階段緩衝區調控。

即：如圖2所示，利用傳感器得到當前的溫度Tnow，使用簡單的預測方法得到下一時間的溫度Tpre，時間間隔為tk，由此計算出溫度的變化速度為(Tpre-Tnow)/tk；結合當前的溫度與給定的時間段t，計算t時刻後的溫度Tt=Tnow+t*( Tpre-Tnow) /tk；同時通過一系列的研究與實驗，將溫度分為幾個等級，當溫度達到等級要求時，給定溫度等級指示值，以便於下一階段緩衝區調控。

S2：將溫度等級指示值（分級指示信號）送入與當前節點相連的周邊路由節點，根據溫度等級指示值（分級指示信號）對緩衝區大小進行調節。

當溫度增加達到某些等級時，按照要求將緩衝區調小；當溫度減小又低於某些等級時，按照要求將緩衝區調大，以達到緩衝區的階梯控制，致使更少的包穿過過熱路由；而堆積在過熱路由的入棧緩衝區部分，同時因為熱是由包的流動而產生的，並不會因為包的堆積而使其過熱，因此這樣做並不會加重過熱路由的負擔，還可以達到將過熱路由同時變為擁塞路由的作用，以方便之後的路由選擇。

在上述過程中，需要在節點之間傳輸溫度等級信號；即，當得到了相應的溫度等級後，每個節點與各個方向相鄰節點均由一個溫度等級指示信號線連接，用來傳輸溫度等級信號。對於每個方向上，如圖3所示，將該方向上的溫度等級指示信號通過temp_level埠經過信號線temp_level_to_d（d代指方向）傳輸給下個路由對應方向的temp_level_neighbor埠，每個路由通過每個方向上的temp_level_neighbor埠的信號值對每個方向上的緩衝區大小進行調節。

在具體應用時，每個路由器有七個埠及相應的輸入緩衝區，但此處不考慮本地埠，垂直方向上採用一個路由算法，在下面也會介紹，此處只考慮東西南北四個埠，如圖4所示，一個路由節點與其周邊節點相連的關係，取A-H為例，在進行傳輸時，如果21不為滿，則可以將飛片入棧，根據一系列的規則與計算得到輸出的方向，同時，等待可以傳輸該飛片時按照先進先出的規則進行傳輸。當得到節點A的t時刻溫度大於溫度極限1時，對於H路由，北方向上的temp_level_neighbor信號就為T1，因此北方向上的緩衝區21按照T1大小進行改變，為max_buffer_size-2*T1，以達到更少的包穿過A，控制A的溫度，並且將包擁塞在A部分，將過熱區變為擁塞區，這樣當繞過擁塞區的時候，就同時也繞過了過熱區域，如果溫度仍然增高，預測t時刻溫度到達T2時，將緩衝區改為max_buffer_size-2*T2，同理繼續增高則緩衝區繼續減小，如果t時刻溫度降低導致低於某些值時，將緩衝區的值進行相對於減小的增加，其他方向上與A方向原理相同。

單純的根據溫度大小進行判斷會存在溫度高而變化率低或溫度低而變化率高等情況，而單純的根據變化率則會存在雖然變化率很大，但因為溫度基數低而導致的溫度不高或雖然變化率很小，但因為溫度基數高而導致的溫度過高問題。本發明的基於溫度等級的超前階梯式緩衝區調節方法，採用結合當前溫度與當前溫度變化速度的方法，根據一定的計算得出的溫度等級作為調控的依據，而不是簡單的溫度大小或溫度變化率大小進行調控，這可以有效的避免上述問題造成的錯誤或多餘調控，增加調控的準確性。

同時溫度是實時變化的，採用某一節點自身的一些參數進行計算控制而不是與周圍節點的比較關係進行控制，這可以使溫控不受周圍環境溫度影響，防止了周圍溫度過高，造成本節點相對溫度低而產生的過熱節點未調控情況，導致的燒毀或溫度不平衡；或者周圍溫度過低，造成本節點相對溫度高而產生的過低節點被調控，導致多餘的調控和資源的浪費。此外比較進行控制將會產生頻繁的比值變化，需要進行頻繁的調控，而採用當溫度高於或低於某一定值時進行階梯式調控的方法，可以準確的控制緩衝區的大小，減少頻繁而無用的調控，降低調控所產生的總功耗，並且增加了調控的力度與靈活性。

以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。