la comunicazione nei network-on-chip
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La comunicazione nei Network-On-Chip. Esame corso ESD Cristiano Ressi di Cervia. Una sguardo verso il futuro: tecnologie Deep Sub Micron. Il futuro prossimo delle tecnologia VLSI secondo la National Technology Roadmap for Semiconductors 2010. Frequenza di lavoro >10 GHz. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Consorzio per la formazione e la ricerca in Ingegneria dell'InformazioneConsorzio per la formazione e la ricerca in Ingegneria dell'Informazione
La comunicazione nei Network-La comunicazione nei Network-On-ChipOn-Chip
Esame corso ESDEsame corso ESD
Cristiano Ressi di CerviaCristiano Ressi di Cervia
Una sguardo verso il futuro: Una sguardo verso il futuro: tecnologie Deep Sub Microntecnologie Deep Sub Micron
Il futuro prossimo delle tecnologia VLSI secondo la National Technology Roadmap for Semiconductors
2010Dimensioni Transistor
<50 nmNumero Transistor
> 4 Bilioni
Frequenza di lavoro
>10 GHz
Costi produzione delle sole maschere
> 1 Milione di dollari
La sfida economica delle La sfida economica delle tecnologie DSMtecnologie DSM
“What do you do with a billion transistors?”Jacob A. Abraham Computer-Aided IC Design, Fall 2002
Le tecnologie DSM forniscono le potenzialità per la realizzazione di sistemi complessi.
Le tecnologie DSM necessitano di:
• Abbattere i costi di sviluppo non ricorrenti
• Ridurre il time-to-market
• Aumentare i volumi di produzione
per divenire una reltà commercialmente vantaggiosa
Riutilizzo delle Intellectual Property (IP)
Piattaforme flessibili e facilmente riadattabili
Piattaforme capaci di integrare IP fornite da terzi
Network
On
Chip
Network-On-Chip:Network-On-Chip:comunicazione e computazionecomunicazione e computazione
E’ fondamentale lo sviluppo di metodologie e tool
che tengano conto delle
Modello fisico delle tecnologie DSM
Unione di molteplici IP eterogeneeconcorrenti
Frequenze di lavorodimensioni delle piattaforme
Ortogonalizzazione tra computazione e comunicazione
Modello OSI per i NOCModello OSI per i NOC
Adozione del modello OSI per affrontare in modo sistematico e modulare il
problema della comunicazione nei NOC
1 Physical
2 Data link
3 Network
4 Transport
5 Session
6 Presentation
7 Application
Physical LayerPhysical Layer
I modelli classici per transistor e connessioni non sono più validi
Tecnologie DSM Frequenze di lavoroDimensioni delle connessioni
•Problemi di segnalazione
•Distinzione tra connessioni in base alla lunghezza
•Problemi di Interferenza Elettromagnetica (EMI)
•Problemi di Cross-talk
•Problemi di rumore
Il mezzo trasmissivo non è più affidabile
Transistor (1)Transistor (1)
• Transistor
dipendenza lineare tensione-corrente
fenomeni di Hard e Soft Breakdown
tgsoxsatdsat VVCWvI
Diminuizione tensioni d’alimentazione
)(ATOX )(VVdd )(VVthProcesso (m)
0.25 45-50 2.5 0.625
0.18 30-40 1.8 0.450
0.13 25-30 1.5 0.375
0.10 20-25 1.2 0.3
0.07 15-20 0.9 0.225
0.05 12-15 0.7 0.175Problemi di comunicazione legati al ridotto swing di tensione
disponibile.
Transistor (2)Transistor (2)
Livello fisico: sviluppando tecnologie DSM capaci di massimizzare le tensioni sopportabili e/o le correnti generabili (Tecnologia SiGE o HP, Dual Gate MOSFETs).
Livello circuitale: adottando topologie circuitali che permettano di essere pilotate livelli ridotti di tensione o correnti:
•Segnalazione differenziale e pseudo-differenziale (DIFF-PDIFF)
• Pulse Controlled Driver (PCD)
•Charge Intershared Bus (CISB)
•Charge Recycling bus (CRB)
•Asymmetric Source-Follower Driver + Level Converter (ASDLC)
•Level Converter + Low Vt device (LCLVD)
•Capacitive-Coupled Level Converter (CCLC)
•Level Converter Register (LCR)
Soluzioni proposte
Transistor (3)Transistor (3)
Connessioni (1)Connessioni (1)
Il modello della connessione è una linea di trasmissione distribuita caratterizata dai parametri R L C
L – funzione del:
•Lunghezza
•Frequenze di lavoro
C – funzione del:
•Materiale
•Lunghezza
•Sezione
•Contributi dovuti ad effetto miller, capacità di fringe e laterali
R – funzione del:
•Materiale
•Lunghezza
•Sezione
Connessioni (2)Connessioni (2)
Le linee di connessione non sono isolate elettromagneticamente
Accoppiamento CapacitivoAccoppiamento
Induttivo
Connessioni (3)Connessioni (3)
Effetti legati alla natura distribuita delle connessioni
Ritardi di propagazione e fenomeni oscillatori, trascurare la componente induttiva può portare ad errori grossolani di valutazione.
Cross-talk tra linee di connessione adiacenti per accoppiamento induttivo e capacitivo che nel secondo caso per effetto miller è influenzato dalle condizioni di transizione del segnale.
Cross-talk dovuto all’accoppiamento induttivo tra linee non adiacenti.
Cadute di tensione dovute alla componente resistiva non più trascurabili rispetto ai valori di alimentazione disponibili
Elettromigrazione
Connessioni (4)Connessioni (4)
- Ripetitori opportunamente inseriti lungo la linea – unidirezionali e contribusicono al delay totale
- Booster opportunamente inseriti lungo la linea – bidirezionali e non contribusicono al delay totale
Soluzioni proposte
Data LinkData LinkUna Questione di AffidabilitàUna Questione di Affidabilità
-Probabilità di errore non nulla-Presenza di rumore
- Minime tensioni d’alimentazione- Vincoli sul consumo di energia
Opportuna codifica dell’informazione
Protocolli e codifiche per rendere affidabile la trasmissione
Data link (2)Data link (2)
Molteplici soluzioni proposte in ambito dei macro network
•Identificazione errore e ritrasmissione dell’informazione
•Codifiche per l’individuazione e la correzione dell’errore
•Codifica per maggiore robustezza del segnale rispetto al rumore
Occorre definire opportune metriche e metodologie di confronto dal punto di vista energetico
Soluzioni proposte
“Route Packets, Not Wires”William J. Dally and Brian Towles
Computer Systems LaboratoryStanford University
Network layerNetwork layerEnergia Complessità ScalabilitàEnergia Complessità Scalabilità
Network di connessione tra IP
Predirre il comportamento elettrico ed ottimizzare le
connessione
Facilitare l’intermodularità
introducendo interfaccie di comunicazione standard
Condividere le connessioni tra IP aumentando le
performance
NOC vs Dedicate WiringNOC vs Dedicate Wiring
Dedicated Wiring On-Chip Network “Spaghetti” wiring Wiring regolare
Variazioni rendono difficile prevedere crosstalk, lunghezza, R L & C.
Parametri fissi R L C delle connessioni, prevedibile impatto crosstalk
Drivers dimensionati per ‘wire model’ – 99% troppo grandi large, 1% troppo piccoli
Drivers dimensionati per il collegamento
NOC vs BUSNOC vs BUS
Comunicazione broadcast energeticamente non efficiente
Intrinsecamente non scalabile oltre certe dimensioni
Network layerNetwork layerMetriche di qualità (1)Metriche di qualità (1)
Introdurre oltre alle metriche classiche l’area come funzione costo nei NOC e la scalabiltà come parametro di confronto
ScalabilityScalability
LatencyLatency
BandwidthBandwidth
Misure di qualità (2)Misure di qualità (2)
Topologie generiche (1)Topologie generiche (1) N = 1024
Type Degree Diameter Ave Dist Bisection Diam Ave D
1D mesh < 2 N-1 N/3 1
2D mesh < 4 2(N1/2 - 1) 2N1/2 / 3 N1/2 63 21
3D mesh < 6 3(N1/3 - 1) 3N1/3 / 3 N2/3 ~30 ~10
nD mesh < 2n n(N1/n - 1) nN1/n / 3 N(n-1) / n
(N = kn)
Ring 2 N / 2 N/4 2
2D torus 4 N1/2 N1/2 / 2 2N1/2 32 16
k-ary n-cube 2n n(N1/n) nN1/n/2 15 8 (3D) (N = kn) nk/2 nk/4 2kn-1
Hypercube n n = LogN n/2 N/2 10 5
Cube-Connected Cycles
Hypercube 23
N = 1024
Type Degree Diameter Ave Dist Bisection Diam Ave D
2D Tree 3 2Log2 N ~2Log2 N 1 20 ~20
4D Tree 5 2Log4 N 2Log4 N - 2/3 1 10 9.33
kD k+1 Logk N
2D fat tree 4 Log2 N N
2D butterfly 4 Log2 N N/2 20 20
Topologie generiche (2)Topologie generiche (2)
CM-5 Thinned Fat Tree
Fat Tree
Topologie gerarchiche Topologie gerarchiche
Network regolari di IP eterogenee
Migliori prestazioni energetiche
Scalabilità
Distribuzione modulare delle risorse di connesione
Agevola la distribuzione della computazione!
Struttura concettuale Struttura concettuale connesioniconnesioni
Connessione di IP Nodo di Connessione
Isole sincrone in un mare asincrono
Protocolli di instradamentoProtocolli di instradamento
Source-based routing: il messaggio specifica il percorso verso la destinazione
Virtual Circuit: percorso determinato in fase di instaurazione della comunicazione
Destination-based routing: il messaggio specifica solo la destinazione, percorso determinato dagli switch in modo
deterministico: il percorso è sempre lo stesso
adattivo: scelta del percorso migliore per evitare congestioni od errori
Randomico: scelta di uno a caso fra I percorsi disponibili
-Routing Statico – Percorsi determinati in fase di compilazione Data delivery garantito e delay noti a priori
-Routing dinamicoNecessari metodi dinamici di determinazione del percorso
Tecniche di attraversamentoTecniche di attraversamento
Store-and-forward : ogni switch aspetta che sia ricevuto interamente il pacchetto prima di ritrasmetterloCut-through routing e worm hole routing: lo switch
esamina l’header del pacchetto e decide dove instradarlo trasmettendolo immediatamente al prossimo
worm hole routing, quando l’head del messaggio è bloccata il resto rimane distibuito nel network bloccanto potenzialmente altri messaggi
Cut through routing quando l’head è bloccata la trasmissione continua fino a quando il messaggio è interamente bufferizzato nello switch
MIT MIT Raw Raw Architechture WorkstationArchitechture Workstation
Un router statico Due router dinamici che sfruttano la tecnica Wormhole. CPU unit Quattro unità a virgola mobile munite di pipeline 32-Kbyte di data cache 96 Kbytes cache per le istruzioni
Inizialmente solo NetwokStaticoNecessaria aggiunta del Network dinamico
Network direttoIP omogenee
Performance
CostVariability
SystemQuality
Capacity
Energyconsumption
Implementation
Development
ModifiabilityVolume
Flexibility
Complexity
Functionality
Modularity
Cohesion
Coupling
Configurability
Programmability
Applicability
StructuralFunctional
Control
LifetimeManufacturability
Usability
EffortTimeRisk
MaterialsLicencingProduction
ComputationStorage
CommunicationFault toleranceResult quality (accuracy)Responsiveness
ScalabilityEfficiencyUtilisation
FigurFiguraa di di Merit Meritoo perper NOC NOC