3D network-on-chip architectural exploration - Souza, Yan Ghidini de (2014)
Comunicação desempenha papel fundamental em projetos de Sistemas Multiprocessados em Chips (MPSoCs, do inglês Multiprocessor Systems-on-Chips). Desta maneira, Redes Intrachip (NoCs, do inglês Networks-on-Chips) têm sido propostas como solução para a comunicação global em MPSoCs complexos. Arquiteturas baseadas em NoCs são caracterizadas por vários compromissos relacionados a características estruturais, a especificações de desempenho e a demandas da aplicação. Adicionalmente, o atraso na comunicação e a dissipação de potência estão aumentando conforme o número de núcleos em uma camada 2D (bidimensional) aumenta. Uma das razões para isso é o longo diâmetro da rede e a distância de comunicação entre núcleos. Neste cenário, a tecnologia de Circuito Integrado (CI) 3D (tridimensional) aplicada às arquiteturas do tipo NoC permite maior integração entre dispositivos e com interconexões menores, e possibilita também reduzir o tamanho e o número de interconexões globais (conexões entre todos os elementos de uma rede), o que, por sua vez, influencia diretamente o desempenho da comunicação e permite oportunidades para inovações em arquiteturas de chips. Ademais, arquiteturas baseadas em NoCs 3D aparecem como alternativa à redução de indicadores como latência, consumo de energia e área quando comparadas às topologias de NoCs 2D. Embora existam diversas tecnologias disponíveis para interconexões em redes 3D, a utilização de Through Silicon Vias (TSVs) é uma abordagem viável como interconexão entre camadas empilhadas. Entretanto, a desvantagem que a TSV ocasiona nas atuais tecnologias 3D é que tais interconexões são geralmente custosas em termos de área de silício, o que acarreta limitações no seu uso. Este trabalho apresenta uma arquitetura de NoC 3D do tipo malha chamada Lasio, explorando impactos arquiteturais e comparando duas topologias, uma 3D e outra 2D, em termos de latência, vazão e ocupação de buffers. O presente trabalho também analisa a influência da profundidade dos buffers de entrada das portas dos roteadores nas latências de comunicação e de aplicação. Tais avaliações consideraram diferentes parâmetros de rede, como por exemplo, padrões de tráfego, profundidade dos buffers, nível de serialização das TSVs e uma variedade de tamanhos de pacotes. Além disso, durante este trabalho, foi implementado um esquema de serialização de TSV na Lasio. Em seguida, foi analisado o impacto de diferentes níveis de serialização no custo de área, na dissipação de potência, nas latências de rede e de aplicação e na ocupação dos buffers de entrada das portas de cada roteador em uma NoC 3D 4x4x4 do tipo malha. Dentre os resultados alcançados durante este trabalho, foi verificado que topologias 3D quando comparadas a topologias 2D minimizam em 30% a latência de aplicação e aumentam 56% a vazão dos pacotes. Além disso, este trabalho salienta que quando é aplicado um tamanho de buffer apropriado, a latência de aplicação é reduzida até 3,4 vezes para topologias 2D e 2,3 vezes para topologias 3D. Resultados adicionais demonstram que NoCs 3D reduzem mais a ocupação das conexões internas quando comparadas com NoCs equivalentes 2D, o que potencialmente permite maior vazão e maior eficiência com relação à dissipação de potência e latência. Ademais, os resultados também demonstraram que o esquema de serialização proposto permite reduzir o uso de TSVs com uma baixa perda de desempenho, o que ressalta potenciais benefícios do esquema em MPSoCs baseados em NoCs 3D.