チップ上のネットワーク

ネットワーク・オン・チップ（ネットワーク・オン・チップ、 NoC / ˌ ɛ n ˌ oʊ ˈ s iː / en-oh- SEEまたは/ n ɒ k / knock）[注 1 ]は、集積回路（「チップ」）上のネットワークベースの通信サブシステムであり、最も一般的にはシステム・オン・チップ（SoC）内のモジュール間で使用される。IC上のモジュールは通常、コンピュータシステムの様々な機能を図式化した半導体IPコアであり、ネットワーク科学の意味でモジュール化されるように設計されている。ネットワーク・オン・チップは、SoCモジュール間のルータベースのパケット交換ネットワークである。

NoCテクノロジーは、コンピュータネットワークの理論と手法をオンチップ通信に適用し、従来のバスおよびクロスバー通信アーキテクチャに比べて顕著な改善をもたらします。オンチップネットワークには様々なネットワークトポロジがあり、その多くは2018年時点ではまだ実験段階です。

2000年代には、バスベースの設計におけるスケーラビリティ問題に対処するため、研究者らはパケットスイッチングネットワーク[ 1 ]という形でオンチップ相互接続の一種を提案し始めました。先行研究では、配線をルーティングするのではなく、データパケットをルーティングする設計が提案されていました。[ 2 ]そして、2002年には「ネットワークオンチップ」の概念が提案されました。[ 3 ] NoCは、他の通信サブシステム設計と比較して、システムオンチップのスケーラビリティと複雑なSoCの電力効率を向上させます。NoCは新興技術であり、マルチコアコンピュータアーキテクチャの普及に伴い、近い将来に大きな成長が見込まれています。

構造

NoCは、同期クロックドメインと非同期クロックドメインをまたぐクロックドメインクロッシングと呼ばれる方法と、クロックされていない非同期ロジックを使用する方法があります。NoCは、グローバル非同期、ローカル同期の電子アーキテクチャをサポートし、システムオンチップ上の各プロセッサコアまたは機能ユニットが独自のクロックドメインを持つことを可能にします。[ 4 ]

アーキテクチャ

NoC アーキテクチャは通常、スパーススモール ワールド ネットワーク(SWN) とスケールフリー ネットワーク(SFN) をモデル化して、相互接続ワイヤとポイントツーポイント接続の数、長さ、面積、電力消費を制限します。

トポロジー

トポロジーは、ノードとチャネル間の物理的な配置と接続を決定します。メッセージはホップを通過し、各ホップのチャネル長はトポロジーに依存します。トポロジーはレイテンシと消費電力の両方に大きな影響を与えます。さらに、トポロジーはノード間の代替パスの数を決定するため、ネットワークトラフィックの分散、ひいてはネットワーク帯域幅とパフォーマンスにも影響を与えます。[ 5 ]

利点

従来、IC は専用のポイントツーポイント接続、つまり各信号に 1 本の配線を使用する設計となってきました。このため、高密度のネットワーク トポロジーが実現します。特に大規模な設計では、物理設計の観点からいくつかの制限が生じます。必要な電力 は相互接続数の2 乗です。配線はチップ面積の多くを占め、ナノメートルCMOS技術では、チップ全体にわたる配線での信号伝播に複数のクロック サイクルが必要なため、相互接続がパフォーマンスと動的消費電力の両方に大きな影響を与えます。これにより、回路上にさらに多くの寄生容量、抵抗、およびインダクタンスが発生します。(ポイントツーポイント接続の配線要件に関する説明については、 レントの法則を参照してください)。

通信サブシステムの相互接続のスパース性と局所性により、従来のバスベースおよびクロスバーベースのシステムに比べていくつかの改善がもたらされます。

並列性とスケーラビリティ

ネットワークオンチップ（NoC）のリンク内の配線は、多くの信号によって共有されます。NoC内のすべてのデータリンクが異なるデータパケットで同時に動作できるため、高いレベルの並列処理が実現されます。したがって、統合システムの複雑さが増すにつれて、NoCは従来の通信アーキテクチャ（専用のポイントツーポイント信号線、共有バス、ブリッジを備えたセグメント化バスなど）と比較して、パフォーマンス（スループットなど）とスケーラビリティが向上します。アルゴリズムは、高い並列処理を実現し、NoCの潜在能力を最大限に活用できるように設計する必要があります。

現在の研究

3DチップレットのWiNoC

一部の研究者は、NoCはサービス品質（QoS）をサポートする必要があると考えています。具体的には、スループット、エンドツーエンドの遅延、公平性[ 6 ] 、デッドラインといった様々な要件を満たす必要があるのです。音声や動画の再生を含むリアルタイムコンピューティングは、QoSサポートを提供する理由の一つです。しかし、VxWorks、RTLinux、QNXといった現在のシステム実装は、特別なハードウェアなしで1ミリ秒未満のリアルタイムコンピューティングを実現できます。

これは、多くのリアルタイムアプリケーションでは既存のオンチップ相互接続インフラストラクチャのサービス品質で十分であり、マイクロ秒単位の精度を実現するには専用のハードウェアロジックが必要になることを示している可能性があります。マイクロ秒単位の精度は、エンドユーザーにとって実際にはほとんど必要とされないレベルです（音声や動画のジッターには、10分の1ミリ秒の遅延保証のみが必要です）。NoCレベルのサービス品質（QoS）が求められるもう一つの理由は、パブリッククラウドコンピューティングインフラストラクチャにおいて、シングルチップマルチプロセッサのリソースを複数のユーザーが同時に共有できるようにすることです。このような場合、ハードウェアQoSロジックにより、サービスプロバイダーはユーザーが受けるサービスレベルを 契約で保証することができ、これは一部の企業や政府機関のクライアントにとって望ましい機能とみなされる可能性があります。

物理リンクレベルからネットワークレベル、そしてシステムアーキテクチャやアプリケーションソフトウェアに至るまで、あらゆるレベルで解決すべき多くの困難な研究課題が残されています。ネットワーク・オン・チップに関する最初の専門研究シンポジウムは、2007年5月にプリンストン大学で開催されました。 [ 7 ]第2回IEEE国際ネットワーク・オン・チップシンポジウムは、2008年4月にニューカッスル大学で開催されました。

光ネットワークオンチップ（ONoC）を構成する集積光導波路およびデバイスの研究が行われてきた。 [ 8 ] [ 9 ]

NoCの性能を向上させる方法としては、チップレット間の無線通信チャネル、いわゆるワイヤレスネットワークオンチップ（WiNoC）を利用することが考えられる。[ 10 ]

副次的なメリット

NoCで接続されたマルチコアシステムでは、コヒーレンシメッセージとキャッシュミス要求はスイッチを通過する必要があります。そのため、スイッチにシンプルな追跡・転送要素を追加することで、どのキャッシュブロックがどのコアから将来要求されるかを検出できます。そして、転送要素は要求されたブロックを、将来そのブロックを要求する可能性のあるすべてのコアにマルチキャストします。このメカニズムにより、キャッシュミス率が低下します。[ 11 ]

ベンチマーク

NoCの開発と研究には、様々な提案や選択肢を比較することが必要です。こうした評価を支援するために、NoCトラフィックパターンの開発が進められています。既存のNoCベンチマークには、NoCBenchとMCSL NoCトラフィックパターンがあります。[ 12 ]

相互接続処理ユニット

相互接続処理ユニット（IPU）[ 13 ]は、ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントを備えたオンチップ通信ネットワークであり、一連の通信および同期プリミティブを介してさまざまなシステムオンチッププログラミングモデルの主要機能を共同で実装し、単一のダイ上で最新の異種アプリケーションの高度な機能を可能にする低レベルのプラットフォームサービスを提供します。

参照

注記

  1. ^この記事では、「NoC」を/ n ɒ k / nockと発音する慣例を採用しています。したがって、NoCに対応する不定冠詞には「a」を使用します（「 a NoC」）。他の資料では、 / ˌ ɛ n ˌ oʊ ˈ s iː / en-oh- SEEと発音し、「 an NoC」を使用する場合が

参考文献

  1. ^ Guerrier, P.; Greiner, A. (2000). 「オンチップ・パケットスイッチ相互接続のための汎用アーキテクチャ」Proceedings Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition 2000 (Cat. No. PR00537) . パリ, フランス: IEEE Comput. Soc. pp.  250– 256. doi : 10.1109/DATE.2000.840047 . ISBN 978-0-7695-0537-4。
  2. ^ Proceedings, 2001 Design Automation Conference : 38th DAC: Las Vegas Convention Center, Las Vegas, NV, June 18-22, 2001 . Association for Computing Machinery, ACM Special Interest Group on Design Automation. New York, NY: Association for Computing Machinery. 2001. ISBN 1-58113-297-2. OCLC  326240184 .{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)
  3. ^ Benini, L.; De Micheli, G. (2002年1月). 「Networks on Chips: a new SoC paradigm」. Computer . 35 (1): 70– 78. Bibcode : 2002Compr..35a..70B . doi : 10.1109/2.976921 .
  4. ^ Kundu, Santanu; Chattopadhyay, Santanu (2014). Network-on-chip: the Next Generation of System-on-Chip Integration (第1版). Boca Raton, FL: CRC Press. p. 3. ISBN 978-1-4665-6527-2. OCLC  895661009 .
  5. ^スタッフ、EDN (2023年7月26日). 「ネットワークオンチップ（NoC）相互接続トポロジーの説明」 EDN . 2023年11月17日閲覧。
  6. ^「チップマルチプロセッサ向けマルチアプリケーションマッピングにおけるオンチップネットワークレイテンシのバランス調整」IPDPS . 2014年5月.
  7. ^ NoCS 2007、Wayback Machineウェブサイトで2008年9月1日にアーカイブ。
  8. ^オンチップネットワーク参考文献
  9. ^ 「チップ間/チップ内光ネットワーク参考文献」 . 2015年9月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年7月2日閲覧。
  10. ^ Slyusar VI, Slyusar DV ナノアンテナアレイのピラミッド型設計。// VIII International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT'11). - ウクライナ、キエフ。- ウクライナ国立工科大学「キエフ工科大学」。- 2011年9月20日～23日。- 140～142ページ。 [1] 2019年7月17日、 Wayback Machineにアーカイブ。
  11. ^ Marzieh Lenjani、Mahmoud Reza Hashemi (2014). 「地域的、統計的、時間的な類似性を活用した共有キャッシュミス率低減のためのツリーベーススキーム」 IET Computers & Digital Techniques 8 : 30–48 . doi : 10.1049/iet-cdt.2011.0066 . 2018年12月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  12. ^ 「NoCトラフィック」 www.ece.ust.hk . 2017年12月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年10月8日閲覧。
  13. ^ Marcello Coppola、Miltos D. Grammatikakis、Riccardo Locatelli、Giuseppe Maruccia、Lorenzo Pieralisi、「コスト効率の高い相互接続処理ユニットの設計：Spidergon STNoC」、CRC Press、2008年、 ISBN 978-1-4200-4471-3

Igor MarkovによるACM SIGDA電子ニュースレターのAvinoam Kolodnyのコラム（ 2009年1月10日アーカイブ、Wayback Machineより）を改変。原文はhttp://www.sigda.org/newsletter/2006/060415.txtで参照可能。 2006年9月25日アーカイブ、Wayback Machineより。

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