依据3DNOC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法及其应用.pdf

本发明公开了一种依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法及其应用，其特征是通道表的建立是对于每一层上所有上通道节点和下通道节点分别通过最短路径算法确立最短环形路径，在各通道节点的通道表中记录有处在最短环形路径中的下一个上通道节点和下通道节点的地址；普通节点的通道表中记录有距离最近的上通道节点和下通道节点地址；一种基于上下优先策略的异构3D NoC TSV容错路由算法利用上述通道表，在对数据包进行层间传输时，利用当前节点的通道表得到该节点可用的上通道节点或下通道节点的地址，将数据包发送至该地址，通过该通道节点传送数据。本发明可以实现任意规模异构3D NoC中的有效数据传输，并具有TSV容错和拥塞缓解功能。

权利要求书1.  一种依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法，其特征是按如下过程进 行： 步骤a：确定3D NoC每一层中的上通道节点和下通道节点，所述上通道节点是指在其上 方连接有TSV的节点，所述下通道节点是指在其下方连接有TSV的节点；定义3D NoC每一层 中除所述上通道节点和下通道节点之外的所有节点为普通节点； 步骤b：为所述3D NoC中的每个节点上的路由器分别建立通道表，以所述通道表记录相 应节点上数据包向上一层或下一层进行数据传输所需要通过的上通道节点或下通道节点；并 记录与各普通节点距离最近的上通道节点和下通道节点； 步骤c：对于每一层上所有上通道节点通过最短路径算法确立最短环形路径，在各上通 道节点的通道表中记录有处在所述最短环形路径中的下一个上通道节点的地址；对于每一层 上所有下通道节点通过最短路径算法确立最短环形路径，在各下通道节点的通道表中记录有 处在所述最短环形路径中的下一个下通道节点的地址。 2.  一种基于上下优先策略的异构3D NoCTSV容错路由算法，其特征是按如下步骤进行： 步骤1：对于节点A上的路由器收到的一个数据包A，首先解析数据包的目的节点的地址， 若所述目的节点的地址为节点A的地址，则将数据包A传送到节点A的IP核，完成数据传输； 否则，进入步骤2； 步骤2：若目的节点的地址处在本层，则使用2D NoC轮转路由算法通过目的端口将数据 包A传送到下一个节点，完成节点A的数据传输；若目的节点的地址处在上层，则进入步骤 3；若目的节点的地址处在下层，则进入步骤5； 步骤3：若节点A为上通道节点，并且通过节点A的上通道成功传输数据包A，则完成节 点A的数据传输；若是通过节点A的上通道不能成功完成数据包A传输，则进入步骤4；若 节点A为普通节点，则进入步骤4； 步骤4：利用节点A的通道表得到节点A可用的上通道节点B的地址，将上通道节点B 的地址作为数据包A的临时目的地址，通过2D NoC轮转路由算法将数据包A从指定端口发出， 完成节点A的数据传输； 步骤5：对于节点A为下通道节点，并且通过节点A的下通道成功传输数据包A，则完成 节点A的数据传输；若是通过节点A的下通道不能成功完成数据包A传输，则进入步骤6； 若节点A为普通节点，则进入步骤6； 步骤6：利用节点A的通道表得到节点A可用的下通道节点B的地址，将下通道节点B 的地址作为数据包A的临时目的地址，通过2D NoC轮转路由算法将数据包A从指定端口发出， 完成节点A的数据传输； 所述通道表是指利用权利要求1所述方法建立的通道表。

说明书依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种3D NoC路由算法，更具体地说是一种用于异构3D NoC结构，具有对失效TSV容错和缓解上下通道拥堵作用的片上路由算法。
背景技术
3D NoC(Three-Dimension Network-on-Chip)是一种通过硅直通孔(TSV)互连多层晶圆(die)而实现垂直集成的互连方式。它克服了2D-NoC中所有的元器件都在一个平面上分布的局限，从而获得更小的体积、更好的功耗和射频性能。3D-NoC通过垂直集成使芯片的集成度大幅度提高，被多数专家认为是一种延续摩尔定律增长趋势的新方法，成为当前半导体产业发展最快的技术之一。
常见的3D NoC拓扑结构有3D Mesh、3D Torus、三维堆叠Mesh等，其中被众多学者广泛研究的结构是3D Mesh。传统的3D Mesh结构是一种由规则的2D NoC通过上下堆叠而成的规则的3D网络结构，每一层间通过TSV实现层间通信。这些TSV实际上就是在晶圆与晶圆之间制造一系列的垂直导通，用来实现芯片间的互连。一个TSV就代表一条在垂直方向上用来传输信号的数据链路。
传统的3D NoC片上路由器是通过扩展2D片上路由器而实现的，在原有2D片上路由器东、西、南、北和本地5对输入输出端口的基础上，增加上、下两对端口来实现垂直方向的层间通信。其中的路由算法也是通过扩展传统的2D NoC中的路由算法来实现数据的传输，例如扩展传统的X-Y维序路由算法为X-Y-Z路由算法，即先将数据包在层内传输到与目的节点同一垂直位置的中间节点，然后再通过TSV垂直传输到目的节点。而如今的工业设计上，通常将实现不同功能的模块放在3D芯片的不同层上，例如最上一层放置CPU核，中间层放置RAM和ROM，底层放置通信模块。这样的设计很难做到每一层上的网络节点布局一致，从而导致某些路由节点有向上或向下的通道，即有TSV相连，而某些节点则没有垂直方向通道。这样的结构就很难使用传统的3D路由算法来达到传输数据包的目的。
如今，芯片制造工艺进入65纳米级以下，制造工艺越来越复杂，制造难度越来越大。TSV的尺寸只有10微米左右，而目前TSV制造技术还不够成熟，制造成本高，且极易在制造过程中出现空洞、断裂、误对齐等情况而造成TSV失效。一个65nm CMOS工艺加工技术制造的硅芯片，46％-65％的成本开销都用在了TSV的加工上。因此，TSV的数量应该尽可能少，并需要片上路由算法有对TSV失效进行故障修复的功能。
因此，需要一种3D NoC路由算法，以解决在不规则3D NoC结构中的通信问题，同时又要具备良好的TSV容错和缓解拥堵的功能。
片上路由算法的设计是要在吞吐率、延迟、功耗等几大性能指标中找一个最佳的平衡点。国内外的众多学者也对3D NoC路由器及路由算法有过很多研究。这些研究主要集中在如下几点：
1、一种用于大规模3D NoC芯片的分层路由器，是由两个完全分离的模块组成，一个是5*5的片上路由器，用于层内通信，另一个是4*4的片上路由器用于层间通信，从而在大规模3D NoC结构中获得更好的吞吐率和延迟，且该方法可以较好的应用于异构的3D NoC中，但是不适用于小规模的3D NoC结构，不能应对部分TSV失效的情况，也不具有缓解拥堵的功能。
2、使用一种电梯优先路由算法来解决减少TSV的异构3D NoC结构中的通信问题，该算法通过给每个网络节点分配一个具有向上和向下TSV的电梯节点，从而实现层间通信，但是没有考虑部分TSV出现故障的容错处理。
3、通过为片上路由器增加一个输入端口的方法来处理TSV故障和输入端口，并具有拥塞感知功能，但是该方法不适用于异构3D NoC。
4、前瞻性路由算法，将当前节点的路由选择计算提前到上一个路由器进行，从而使路由计算和交叉开关选择两步并行，从而提高路由器吞吐率，但是这个改进的方法并不适用于异构的3D NoC。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法及其应用，以解决不规则3D NoC结构中数据通信、TSV容错和垂直方向通道的数据包拥堵的问题。本发明适用的异构3D NoC拓扑结构是：每一层符合标准2DMesh结构，但层与层的结构不一定相同，且每层有若干个不均匀分布的TSV与上一层或者下一层相连。本发明的目标是为了实现在任意规模的上述异构3D NoC结构中实现有效的数据传输，且在几乎不增加路由器面积开销和不降低路由器吞吐率的前提下具有对失效TSV容错处理和对垂直传输通道拥塞缓解的功能。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法的特点是按如下过程进行：
步骤a：确定3D NoC每一层中的上通道节点和下通道节点，所述上通道节点是指在其上方连接有TSV的节点，所述下通道节点是指在其下方连接有TSV的节点；定义3D NoC每一层中除所述上通道节点和下通道节点之外的所有节点为普通节点；
步骤b：为所述3D NoC中的每个节点上的路由器分别建立通道表，以所述通道表记录相应节点上数据包向上一层或下一层进行数据传输所需要通过的上通道节点或下通道节点；并 记录与各普通节点距离最近的上通道节点和下通道节点；
步骤c：对于每一层上所有上通道节点通过最短路径算法确立最短环形路径，在各上通道节点的通道表中记录有处在所述最短环形路径中的下一个上通道节点的地址；对于每一层上所有下通道节点通过最短路径算法确立最短环形路径，在各下通道节点的通道表中记录有处在所述最短环形路径中的下一个下通道节点的地址。
本发明基于上下优先策略的异构3D NoC TSV容错路由算法的特点是按如下步骤进行：
步骤1：对于节点A上的路由器收到的一个数据包A，首先解析数据包的目的节点的地址，若所述目的节点的地址为节点A的地址，则将数据包A传送到节点A的IP核，完成数据传输；否则，进入步骤2；
步骤2：若目的节点的地址处在本层，则使用2D NoC轮转路由算法通过目的端口将数据包A传送到下一个节点，完成节点A的数据传输；若目的节点的地址处在上层，则进入步骤3；若目的节点的地址处在下层，则进入步骤5；
步骤3：若节点A为上通道节点，并且通过节点A的上通道成功传输数据包A，则完成节点A的数据传输；若是通过节点A的上通道不能成功完成数据包A传输，则进入步骤4；若节点A为普通节点，则进入步骤4；
步骤4：利用节点A的通道表得到节点A可用的上通道节点B的地址，将上通道节点B的地址作为数据包A的临时目的地址，通过2D NoC轮转路由算法将数据包A从指定端口发出，完成节点A的数据传输； 
步骤5：对于节点A为下通道节点，并且通过节点A的下通道成功传输数据包A，则完成节点A的数据传输；若是通过节点A的下通道不能成功完成数据包A传输，则进入步骤6；若节点A为普通节点，则进入步骤6；
步骤6：利用节点A的通道表得到节点A可用的下通道节点B的地址，将下通道节点B的地址作为数据包A的临时目的地址，通过2D NoC轮转路由算法将数据包A从指定端口发出，完成节点A的数据传输。 
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明由于在3D NoC路由器中采用了通道表，对于位于普通节点上且目的地址位于上层或下层的数据包，将普通节点的通道表中的上通道节点或下通道节点的地址作为数据包的临时目的地址，传输数据包到上通道节点或下通道节点，通过节点将数据包传送至上一层或下一层，从而实现在任意规模异构3D NoC中实现有效的数据传输。
2、本发明由于在通道表中将每一层上所有上通道节点和下通道节点分别通过最短路径算法确立最短环形路径，在各上通道节点和下通道节点的通道表中分别记录有处在最短环形路 径中的下一个通道节点的地址，因此，在某一个或某些TSV损坏或垂直通道出现拥堵的情况下，数据包可以被传输到下一个上通道节点或下通道节点进行层间数据传送，达到在不增加冗余TSV情况下对失效TSV容错处理和对垂直传输通道拥塞缓解的功能。
3、本发明在实现上述功能时，相对于普通的3D NoC路由器，仅需要增加存放通道表的存储器，且每个通道表中只有两个数据，因此增加的面积开销可以忽略不计。
4、本发明在实现上述功能时，相对于普通的3D NoC路由算法，没有增加过多的选择和判断，且还具有对垂直通道拥有拥堵缓解功能，因此路由吞吐率不会降低。
附图说明
图1为本发明的基于上下优先策略的异构3D NoC TSV容错路由算法的程序流程图。
具体实施方式
本实施例中，依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法是按如下过程进行：
步骤a：本实施例适用的拓扑结构是一种异构的3D NoC架构，并不是每一个节点都连接有TSV，因此首先确定3D NoC每一层中的上通道节点和下通道节点，所述上通道节点是指在其上方连接有TSV的节点，所述下通道节点是指在其下方连接有TSV的节点；定义3D NoC每一层中除所述上通道节点和下通道节点之外的所有节点为普通节点；一个节点可能仅仅是上通道节点、下通道节点或普通节点，也可能既是上通道节点，又是下通道节点；
步骤b：上通道节点可以通过自身上方连接的TSV向上层传输数据，下通道节点可以通过自身下方连接的TSV向下层传输数据，而普通节点本身并不能进行层间通信，为了使处于普通节点的数据包能到达上层或下层，为3D NoC中的每个节点上的路由器分别建立通道表，以通道表记录相应节点上数据包向上一层或下一层进行数据传输所需要通过的上通道节点或下通道节点；并记录与各普通节点距离最近的上通道节点和下通道节点；然后将数据包传送到临近的上通道节点或下通道节点，通过这些上通道节点和下通道节点将数据包传送至上层或下层。
步骤c：在使用某个上通道节点或下通道节点进行数据传输时，可能会出现如下三种情况造成数据包传输失败：一是由于TSV的制造技术还不够成熟，在芯片制造过程中引起的TSV空洞、断裂、误对齐等情况而造成TSV失效；二是由于长时间使用造成的电路老化而引起的TSV失效；三是由于通道节点路由器的垂直方向端口数据量过大而引起的垂直方向端口拥塞。
为了避免在出现上述情况时而造成数据包丢包甚至整个电路板失效的事情发生，本发明对于每一层上所有上通道节点通过最短路径算法确立最短环形路径，在各上通道节点的通道表中记录有处在所述最短环形路径中的下一个上通道节点的地址；对于每一层上所有下通道节点通过最短路径算法确立最短环形路径，在各下通道节点的通道表中记录有处在所述最短 环形路径中的下一个下通道节点的地址。如果某个通道节点出现了上述三种情况，则可查找该通道节点的通道表，将通道表中的上通道节点或下通道节点的地址作为数据包的临时目的地址，发送数据包到所述临时目的地址代表的节点，然后进行层间通信。本发明采用最短环形路径的方式分别连接每一层的上通道节点和下通道节点，可以有效避免同一层中，相邻的两个通道节点都出现无法发送数据的情况时而造成的整个电路板的失效。从而可以达到在不增加冗余TSV的前提下，通过路由算法实现对TSV的容错，并具备垂直方向通道拥塞缓解功能。
本实施例中基于上下优先策略的异构3D NoCTSV容错路由算法是利用通道表并按如下步骤进行：
步骤1：对于节点A上的路由器收到的一个数据包A，首先解析数据包的目的节点的地址，若所述目的节点的地址为节点A的地址，则将数据包A传送到节点A的IP核，完成数据传输；否则，进入步骤2。
步骤2：若目的节点的地址处在本层，则使用2D NoC轮转路由算法通过目的端口将数据包A传送到下一个节点，完成节点A的数据传输；若目的节点的地址处在上层，则进入步骤3；若目的节点的地址处在下层，则进入步骤5。
步骤3：若节点A为上通道节点，并且通过节点A的上通道成功传输数据包A，则完成节点A的数据传输；若是通过节点A的上通道不能成功完成数据包A传输，则进入步骤4；不能成功完成数据包A的传输的情况，是由于TSV本身制造过程失效或者电路老化造成的TSV失效，也可能是由于拥塞而造成数据包A暂时无法发送；若节点A为普通节点，则进入步骤4。
步骤4：利用节点A的通道表得到节点A可用的上通道节点B的地址，将上通道节点B的地址作为数据包A的临时目的地址，通过2D NoC轮转路由算法将数据包A从指定端口发出，完成节点A的数据传输。本实施例中采用换一个通道节点进行数据包A传送的方法，将能有效避免因与通道节点A相连的TSV失效而引起的数据包A传送失败的情况发生；且能在通道节点A的垂直方向通道发生拥塞时，将数据包转移到通道节点B发送，从而缓解节点A垂直方向通道的拥塞情况。
步骤5：对于节点A为下通道节点，并且通过节点A的下通道成功传输数据包A，则完成节点A的数据传输；若是通过节点A的下通道不能成功完成数据包A传输，则进入步骤6；若节点A为普通节点，则进入步骤6。
步骤6：利用节点A的通道表得到节点A可用的下通道节点B的地址，将下通道节点B的地址作为数据包A的临时目的地址，通过2D NoC轮转路由算法将数据包A从指定端口发出， 完成节点A的数据传输。 
2D NoC轮转路由算法是使用《基于随机路由的高性能片上路由器设计与仿真》(岳峰，李润丰，陈田，刘军，陈鹏，王伟.基于随机路由的高性能片上路由器设计与仿真，电子测量与仪器学报[J]，2013,27(7):669-675)一文中提出的一种高性能路由算法。该算法是按如下步骤进行的：
对于节点A收到的一个数据包A，首先解析数据包的目的节点的地址，若所述目的节点的地址为节点A的地址，则将数据包A传送到节点A的IP核，完成数据传输；若只有X轴地址或Y轴地址相同，则通过相应的端口在Y轴或X轴上传输，该算法结束；若X轴和Y轴地址都不相同，则表示有X轴和Y轴两个方向的传输通道可供选择，若节点A中的方向标识位为“0”，则在X轴方向传送，若为“1”则在Y轴方向传送；传输完成后将标识位取反。
在本发明中采用所述2D NoC轮转路由算法用于层内数据包传送，可以有效平衡层内X方向和Y方向的数据流量，从而具有更好的吞吐率和延迟。