Emulator- und kostenbasierte Analyse von Network-on-Chip

Abstract

Die Komplexität der Kommunikation auf aktuellen und zukünftigen Multi-Kern System on Chip ist mit gängigen Kommunikationsarchitekturen wie Bussen oder Punkt-zu-Punkt Verbindungen kaum zu beherrschen. Network-on-Chip (NoC) stellen eine mögliche Lösung dieses Problems dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modulares und parametrisierbares Network-on-Chip entwickelt. Dies unterstütze eine Vielzahl von NoC-Parametern wie zum Beispiel Topologie, Routing Algorithmus und Vermittlungstechnik. Die erstellte VHDL Bibliothek für NoC ermöglicht die automatische Generierung von NoC-Beschreibungen in VHDL. Für die Untersuchung der Performance, Fläche und Verlustleistung der modellierten NoC wurden exemplarische VLSI-Implementierungen der NoC-Komponenten mit Hilfe von Standardzellen erstellt. Zur Reduzierung der Kosten und Steigerung der Performance sind physikalisch optimierte Kernkomponenten in Kombination mit Standardzellen verwendet worden. Dies reduziert die Kosten der NoC-Implementierungen signifikant wobei die Parametrisierbarkeit erhalten bleibt. Die Kosten für die NoC-Komponenten in Abhängigkeit der NoC-Parameter wurden mit mathematischen Modellen beschrieben. Diese Modelle erlauben die Abschätzung der zu erwartenden Kosten schon in frühen Entwurfsphasen. Neben den Kosten, die durch ein NoC verursacht werden, ist die Bestimmung der Performance eines NoCs wichtig. Es wurden verschiedene Techniken (z.B. Simulation auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen, Emulation auf einem FPGA) implementiert, um die Performance von NoC zu bestimmen. Die Erweiterung der NoC-Beschreibung um weitere Bibliotheken zur Simulation mit SystemC und Colored-Petri-Nets, einer Emulation auf einem FPGA und der statischen Analyse ermöglichten einen Vergleich und eine Bewertung dieser Techniken. Die Analyse-Techniken wurden den unterschiedlichen Phasen im Entwurfs-prozess von NoC zugeordnet. Durch die Vielzahl an NoC-Parametern ist der Entwurf eines optimalen NoC sehr komplex und aufwändig. Die Erkenntnisse dieser Arbeit wurden in einer Entwurfsmethodik zusammengeführt. Dieses Spiral-Modell ermöglicht eine effiziente, automatisierte Implementierung von NoC. Bei dem Vergleich der implementierten NoC-Komponenten mit Beispielen aus der Literatur konnte die Effizienz und Leistungsfähigkeit gezeigt werden. Für Anwendungsbeispiele aus der Literatur und zufälligen Datenverkehr konnte der Entwurfsraum für NoC erfolgreich untersucht und jeweils Pareto-optimale NoC identifiziert werden. Die Analyse des Kommunikationsverhalten eines realen Multi-Core Prozessors mit 61 Prozessorkernen und Abbildung auf den FPGA-basierten Emulator für NoC zeigen, dass die vorgestellte Methodik grundsätzlich gut für den Entwurf und die Analyse von NoC geeignet ist.