[发明专利]一种基于集群的共享射频片上网络及映射方法

说明书

技术领域

本发明属于片上网络技术领域，具体涉及一种基于射频的片上网络结构及映射方法。

背景技术

随着CMOS工艺的进步和片上网络系统规模的增加，基于金属铜的片上互联面临着严重的性能及功耗瓶颈。根据国际半导体技术蓝图的预测，金属电气导线特性的进步不再满足未来应用对高效能通信互联（高带宽、低时延、低功耗）的巨大需求，光互联、射频互联、3D互联等新兴片上互联逐渐成为未来取代传统RC电气互联的可能趋势。与传统RC电气互联相比，片上射频互联能够受益于半导体工艺的进步，解决基于金属铜的片上互联技术在大规模片上网络中存在的传输延迟问题、带宽密度问题，以及功耗问题；与片上光互连等新兴互联技术相比，片上射频互联表现出更优良的CMOS兼容性和可实施性。基于射频的片上网络融合了传统RC电气互联和片上射频互联，已经成为技术过渡时期的主流设计方案之一，引起了国际上学术界和产业界的注意，成为未来片上网络发展的趋势之一。

基于射频的片上网络中，单个射频互联信道占据一定的频率范围。虽然片上射频互联资源能够随着设计工艺的进步而增加，但在目前的技术条件下，支持更多的片上射频互联信道，意味着更高的设计复杂度，以及难以接受的设计成本。信道间的干扰，信号传输的可靠性等问题限制了片上射频互联的增加。因此如何高效地分配有限的片上射频资源，以最少射频资源开销获得最高的性能提升，是基于射频互联的片上网络设计中的关键问题。通过对基于射频的片上网络的深入研究，发明人发现，现有的基于射频的片上网络都是基于独占射频互联的片上网络ERFNoC（Network-on-chip with exclusive allocated Radio Frequency），射频信道为特定的射频通信节点独享。这种独占式射频片上网络存在资源利用率不高，无法满足实时通信需求等问题。

 

发明内容

针对现有的射频片上网络面向大规模运算所存在的问题，本发明要解决的第一个技术问题就是提供一种基于集群的共享射频片上网络，它能实现各射频通信节点共享片上射频信道，并能充分利用片上电气互联在近距离通信方面的优势和高效利用片上射频互联，满足集群间的高吞吐量和高速通信需求。

本发明要解决的另一个技术问题就是提供一种基于集群的共享射频片上网络的映射方法，它能实现片上网络子通信集群到片上网络子网格的优化映射。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于集群的共享射频片上网络，它包括底层通信子网，底层通信子网包含有路由器、射频使能路由器和电气有线链路，还包括共享射频通信子网，所述共享射频通信子网为底层通信子网划分的多个子网格，每个子网格形成一个集群，集群包含有射频使能路由器和射频传输链路，射频使能路由器通过其射频通信节点连接到射频传输链路上，集群共享一个射频通信节点。

本发明将底层通信子网划分为多个集群，集群内部各单元之间通过电气互联，各集群的射频使能路由器通过其射频节点连接到射频传输链路，在应用执行周期内，射频互联资源根据仲裁策略实时按需分配，射频通信节点可在特定通信周期内享有对某个频带资源的独占权，实现了各射频通信节点共享片上射频信道，且依靠片上电气互联和片上射频互联，满足大规模运算所需的高吞吐量和高速通信要求。

本发明提供的基于集群的共享射频片上网络的映射方法，包括以下步骤：

步骤1、根据给定的应用通信轨迹图和可用的射频互联资源总带宽约束，通过设计优化目标，确定共享射频片上网络的四个基本参数：集群大小S、集群个数Nc、共享射频信道带宽Bs，以及共享射频信道的数量Ns；

对于给定的包含N个处理节点的应用通信轨迹图，以及给定的射频互联资源总带宽约束B_rf，四个基本参数：集群大小S、集群个数N_c、共享射频信道带宽B_s，以及共享射频信道的数量N_s满足如下条件：

1）每个集群所包含的处理节点个数相同，即每个集群大小S相等，且集群个数与集群大小的乘积不小于处理节点的总个数N；

2）共享射频信道的带宽相同，且共享射频信道的数量Ns与共享射频信道带宽Bs的乘积不大于射频互联资源总带宽约束B_rf；

3）共享射频信道的带宽不能小于电气有线传输信道的带宽，且共享射频信道的带宽为电气有线传输信道带宽的整数倍；

对于满足上述约束条件的可能参数组合，采用启发式搜索算法或穷尽搜索算法，选择使得系统设计的目标函数值最优的组合为基于集群的共享射频片上网络设计参数。