The Development of reliable routing algorithms for network on chip
No Thumbnail Available
Date
2020
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Univérsité Oum El Bouaghi
Abstract
With the ability to embed hundreds of cores on a single chip, solving communication related issues became of paramount importance. Bus-based architectures have been predominantly used as the principal interconnect for Systems on Chip, nonetheless, their complexity increases drastically with the integration of a large number of cores and traffic saturation happens rather quickly. Crossbars have equally served as on-chip interconnects, yet they still scale poorly, requiring a large area footprint while consuming high amounts of energy.
To overcome the limited scalability of the aforementioned interconnects and in order to tackle the complex problems and demands of future System on Chip designs, as well as the numerous communication challenges such as wiring complexity, communication delays and power consumption, Network on Chip was proposed.
Inspired by the great success of switch-based networks and packet-based communication, wherein cores are interconnected via bidirectional channels and exchange data in the form of packets, transmitted by means of routers. It alleviates some of the major issues of bus-based systems, such as scalability, modularity and reusability.
The backbone of the communication fabric is the routing algorithm, which is in charge of forwarding data packets along the most appropriate routes to their eventual destination. It plays a vital role confronting numerous issues that contribute to performance deterioration.
Congestion happens to be one of the predominant problems that contribute to the obstruction of data packets and the increase of communication delays. The most effective way to limit its impact is through the implementation of a reliable, congestion aware routing algorithm, capable of adapting to the ever-changing congestion conditions of the network and able to select the less congested routes for the transmission of data packets.
In this thesis, we analyze and evaluate the performance of an extensive list of on-chip routing schemes and extract the features that we believe are most beneficial in the design of reliable, congestion-aware routing algorithms for Network on Chip. We then present our novel congestion propagation network, which enables a global view that will be exploited by our proposed minimal fully adaptive, congestion aware routing algorithms for mesh-based Network on Chip.
The algorithms strike a balance between locally and globally congestion aware routing, in that they do not rely solely on local congestion information nor on irrelevant global congestion, while still offering a fair comparison along the entire way of data packets. For that, we propose a weight distribution technique as well as a categorization protocol based on the congestion levels of network nodes. The various experimental results highlight the proposed algorithms' effectiveness over state of the art on-chip routing algorithms with regard to average packet latency and average accepted packet rate, under the different system configurations.
مع القدرة على دمج مئات النوى في شريحة واحدة، أصبح حل المشكلات المتعلقة بالاتصال ذا أهمية قصوى داخل الأنظمة القائمة على الرقاقة.
تم في السابق استخدام العديد من البنى الأساسية للربط بين الأنوية، ولكن تعقيدها يزداد بشكل كبير مع تزايد عدد النوى حيث تتشبع بسرعة كبيرة، كما أنها تتطلب مساحة كبيرة وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة.
للتغلب على قابلية التوسع المحدودة للبنيات الأساسية المذكورة أعلاه ومن أجل معالجة المشاكل المعقدة ومتطلبات تصميمات الأنظمة المستقبلية، بالإضافة إلى تحديات الاتصال العديدة مثل تعقيد الأسلاك ووقت الاستجابة واستهلاك الطاقة، تم اقتراح الشبكات القائمة على الرقاقة.
مستوحاة من النجاح الكبير للشبكات القائمة على التبديل والاتصالات القائمة على الحزم، حيث يتم ربط النوى عبر قنوات ثنائية الاتجاه ويتم تبادل البيانات في شكل حزم يتم إرسالها عن طريق أجهزة التوجيه. تقوم بالتخفيف من بعض المشكلات الرئيسية للأنظمة التقليدية، مثل قابلية التوسع والنمطية وإعادة الاستخدام.
العمود الفقري لنسيج اتصالات الشبكة هو خوارزمية التوجيه، حيث أنها المسؤولة عن توجيه حزم البيانات على طول المسارات الأكثر ملاءمة إلى وجهتها النهائية.
تلعب خوارزميات التوجيه دورا حيويا في مواجهة العديد من المشكلات التي تساهم في تدهور الأداء. يعتبر الازدحام أحد الأسباب الرئيسية لذلك، حيث يساهم في إعاقة حزم البيانات وزيادة زمن الوصول الإجمالي. الطريقة الأكثر فعالية للحد من تأثيرها هي من خلال تنفيذ خوارزمية توجيه موثوقة، قادرة على التكيف مع ظروف الازدحام المتغيرة باستمرار وقادرة على تحديد المسارات الأقل ازدحاما لنقل حزم البيانات.
في هذه الأطروحة، نقوم بتحليل وتقييم أداء قائمة واسعة من خوارزميات التوجيه كما نقوم باستخراج الميزات التي نعتقد أنها الأكثر فائدة في تصميم خوارزميات توجيه موثوقة ومتكيفة تماما ومدركة للازدحام في الشبكات القائمة على الرقاقة.
نقدم بعد ذلك شبكة نشر معلومات الازدحام الخاصة بنا والتي تتيح رؤية شاملة يتم استغلالها فيما بعد من طرف خوارزميات التوجيه المقترحة.
هذه الأخيرة لا تعتمد على معلومات الازدحام المحلي فقط ولا على الازدحام الشامل الغير ذي الصلة وتوفر إلى حد ما حلا وسطا بينهما، مع ضمان مقارنة عادلة على طول الطريق الكامل لحزم البيانات. نقوم كذلك باقتراح تقنية لتوزيع الأوزان بالإضافة إلى بروتوكول تصنيف عقد الشبكة بناءً على مستويات الازدحام.
تبين النتائج التجريبية المختلفة فعالية الخوارزميات المقترحة بالمقارنة مع الخوارزميات الأخرى بناء على متوسط زمن انتقال الحزم ومعدل الحزم المقبول.
Description
Keywords
Communication, Network on chip, Routing algorithm, Adaptivity, Congestion awareness