benhaoua mohamed kamel université doran e-mail: [email protected] 1 networks-on-chip 25/01/2011...

Benhaoua Mohamed Kamel

Université d’Oran

E-mail: [email protected]

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Networks-on-Networks-on-ChipChip

25/01/2011

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PLANPLAN Pourquoi les NOCs ?Pourquoi les NOCs ?

Caractéristiques des NOCsCaractéristiques des NOCs

NoC Eléments de baseNoC Eléments de base

NOC Modèle NOC Modèle

Quelques NOCs AcademiquesQuelques NOCs Academiques

Limites des NOCsLimites des NOCs

ConclusionConclusion

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Pourquoi les NOCsPourquoi les NOCsDe plus en plus de fonctionnalités sont introduites dans un mème système ce qui conduit a la mise en communication d’un grand nombre de bloc fonctionnelsLes liens de communication n’évoluent pas a la meme vitesse et deviennent un goulot d’etranglement

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Solutions de communication actuelles telles que le bus partagé trouve leurs limite en terme de bande passante et d’extention a mesure que le nbre d’élements communicants augmente . Cette structure est la plus utilisé de nos jours mais ne semble pas s’adapter aux application futures

C’est dans ce contexte que le concept des réseaux sur puce (NOC) a vu le jour

Pourquoi les NOCsPourquoi les NOCs

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Point-to-pointConnexion fixe entre un maître et un esclave,ou éventuellement avec un point intermédiaire.

• Shared-BusPlusieurs noeuds qui partagent le même ensemble des fils.

• Bus hiérarchiqueBus classique ayant un bridge permettant la connexion de plusieurs sous-systèmes.

Pourquoi les NOCsPourquoi les NOCsNOC : ce paradigme d’interconexion inspiré des réseaux informatique classiques offre une structure de communication évolutive , flexible et propose des solutions efficaces au problèmes d’integration complexes des systèmes sur puce .

• Les NoCs introduisent la notion des transferts concurrents(parallélisme), dʼoù une plus importante bande passante • Les NoCs sont flexibles et scalables:

๏ en fonction de nombre de noeuds dans le système et desperformances exigées, on peut adapter le NoC pour une application données

๏ augmentation de nombre des noeuds dans le système

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Pourquoi les NOCsPourquoi les NOCs• NoCs offrent la qualité de service (garanties sur la latence bande passante) et sont donc particulièrement bien adapté aux applications temps-réel qui visent une exploitation optimale du matériel.

NoCs sont plus efficaces au niveau de la puissance consommée, comparé aux solutions traditionnelles (notamment les bus; les connexions point à point seront toujours plus efficaces à tout point de vue, mais au détriment dʼun coût important en développement et en surface).

• Actuellement on estime que pour un SoC à partir dʼune dizaine de noeuds, lʼemploi des NoCs est plus rentable au point de vueénergétique.

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Pourquoi les NOCsPourquoi les NOCsEvolution• La première implémentation dʼun réseau sur puce en 1987:PROPHID par (Philips Research) - circuit pour la télévisionnumérique. Les différents composant sont interconnectés à lʼaidedʼun crossbar .• En 2000: une architecture à commutation par paquets - SPIN.• Puis quelques références clefs annonçant lʼarrivée définitive desNoC (2001):

๏ W.J. Dally et B. Towles. “Route packets, not wires : On-chip interconnection networks”. Dans Design Automation Conference, pages 684–689, 2001.

๏ L. Benini et G. De Micheli. “Powering networks on chips”. Dans ISSS, pages 33–38, 2001.• Depuis: pas mal de développement dans le domaine, en recherche et en solutions (très) concrètes pour le monde industriel.• Le sujet est toujours dʼactualité...

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Caracteristiques des NOCsCaracteristiques des NOCs

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La topologie de réseau• La topologie dʼun réseau défini le nombre et la disposition des NIs et des routeurs, ainsi que le réseau dʼinterconnexion.Exemples des topologies de réseau• 2D mailléLa plus utilisé Facile a implémenté

• Tore2D maillé possédant la particularité d’un repliement des bords extérieurs sur eux-mêmesComplexe a implementé

• AnneauFacilement intégrableNon extensible


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Composants de base

• Network Adapter / Interface(NA, NI) Connexion IP - NoC. En fonction de l'implémentation plusieurs IPs per NI ou plusieurs NI per routeur.

• Routeurs/Switches (R)Reçoit des paquets sur ces portsdʼentrées et les transmet sur cesports de sortie.

• LiensConnexions de type point-to pointentre les noeuds et les NI, leNI et les routeurs, et entre lesrouteurs.

Routeur

NI

Routeur

RouteurRouteur

Lien

IP

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NI

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NI

IP

W

NI

IP

W

IP: Intellectual Property


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Routeur Le rôle principal d’un noeud de routage est d’acheminer les données d’une source à une destination. Il est constitué de : Files d’attente pour stocker les paquets qui transitent dans le réseau, Un commutateur qui connecte les files d’entrées aux ports (ou files) de sortie, Une unité de routage et d’arbitrage qui assure la fonction d’aiguillage et gère les situations de conflits


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Modes de commutation stratégie d’allocation des différentes ressources du réseau sur puce afin d’acheminer des donnéesDeux modes de commutation sont utilisés dans les NOCCommutation de Circuitétablir un circuit dédié au sein du réseau pour chaque paire émetteur/récepteur• garantit une large bande passante• augmente les performances du système (taille importante)• très pénalisant en termes de ressources car celles-ci sont réquisitionnées tout au long du transfertCommutation de Paquetsdécouper un message en plusieurs paquets avant d’être envoyéun paquet est décomposé en plusieurs FLITs Chaque flit est stocké dans une file d’attente puis transmis sur la voie appropriée• meilleur partage des éléments du réseau (les voies sont libérées dés qu’un flit est envoyé) •réduit la latence et améliore les performances du système


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Modes de commutation Les modes de commutations de paquets les plus utilisés dans les réseaux sur puce sont :

Store and Forward (Stocker et propager): avec cette stratégie, tous les flits constituant un paquet sont stockés avant d’être transmis. Le but de ce stockage est le contrôle des paquets envoyés.


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Modes de commutation

Wormhole (Trou de ver) : ce mode de commutation réduit la latence du système car il n’exige pas que tout le paquet soit stocké avant d’être envoyé. Dés qu’une voie est libre, un flit est transmis au routeur destinataire.


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Algorithme de Routagedéfinit le chemin que doit emprunter un paquet pour atteindre sa destination. Il doit éviter les situations d’interblocage tout en optimisant l’utilisation des liens de communications

Routage déterministeles chemins sont définis et utilisés indépendamment de l’´etat actuel du réseau ne prend pas en compte la charge actuelle des routeurs et des liens de réseau lors des décisions de routageRoutage adaptatifLes décisions de routage sont prises en fonction de l’´etat actuel du réseau (la charge du réseau, la disponibilité des liens). Par conséquent, le trafic entre une source et une destination change ses chemins de routage avec le temps.


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Les techniques de routageRoutage Ordonné X-Y L’algorithme XY est un algorithme déterministe et garantit toute situation de blocage (deadlock) . Les flits sont routés d’abord dans la direction X ensuite dans la direction Y. Si un saut est utilisé dans le NoC par un autre paquet, le flit reste bloqué dans le routeur (buffers) jusqu’à ce que le chemin soit libéré.


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Routage West-First Ce type de routage impose que le paquet émis soit transmis tout d'abord dans la direction Ouest (si cette direction est nécessaire), ensuite, de manière adaptative, dans les directions Est, Nord ou Sud.

Routage Negative-Firstle paquet se déplace d’abord dans les directions négatives seulement (S et W), puis dans les directions positives seulement (N et E)


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Contrôle de Fluxensemble de mécanismes qui évitent la surcharge du réseau et régulent le trafic . des signaux de requêtes et d’acquittement sont utilisées par les routeurs Handshakerouteur envoie une donnée, il est en attente d’un acquittement qui lui permet de reprendre ses transactions. Ce mécanisme est simple à mettre en place mais il nécessite au moins deux cycles d’horloges pour effectuer un transfert. Ceci augmente la latence du système et dégrade ses performances


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Contrôle de FluxCredit-Basedles données sont envoyées jusqu’à ce que les files d’attente du routeur récepteur soient saturées. Lorsque celles-ci se libèrent, le routeur l’indique en envoyant le signal « Credit »• La complexité des signaux échangés augmente la consommation de l’énergie• simple à implémenter et il améliore les performances (en termes de bande passante et de débit) du système car les transferts de données ne nécessitent qu’un seul cycle d’horloge.

NOC Eléments de baseNOC Eléments de base

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Notion de paquet• Paquet : la plus petite quantité dʼinformation routée.

• Un paquet est généralement structuré: ๏ FLow control unITes - Flits

La plus petite quantité dʼinformation (le plus petit morceau demessage) pour lequel on peut définir un flow control.

๏ PHysical flow control unITs - PhitsEn fonction de la taille de flit et de la largeur des liens, plusieurscycles peuvent être nécessaires pour transmettre un flit. Un phitreprésente donc la quantité dʼinformation que lʼon peuttransmettre en un cycle (typiquement un flit a le même nombre debits que de fils dans un lien).

NOC Eléments de baseNOC Eléments de base

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Structure dʼun paquet• HeaderTransporte lʼinformation nécessaire autransport de paquet (généralement un seulphit).• PayloadIndique la charge utile dʼun paquet (contient les données transportées) qui peut être detaille variable. Décomposé en flits, eux mêmedécomposé en phits.

• TailIndique la fin de paquet (généralement unseul phit).

Entête(Header)

Charge utile (Payload)

Queue(Tail)

mot

mot

mot

mot

mot

Instructions

FlitPhit

Un paquet

NOC ModèleNOC Modèle

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Modèle des NoCs en couches• Physical layer - Couche physiqueDéfini la structure physique et les protocoles nécessaires pourétablir la communication au niveau des liens entre les différentsrouteurs.

• Switching layer - Couche de commutationUtilise la couche physique pour implémenter le mécanisme detransmission de données à travers le réseau (échange de données entre les différents routeurs).

• Routing layer - Couche de routageSʼoccupent de la décision (arbitrage): quels ports de sortie doiventêtre connectés à quels ports dʼentrée de façon à établir uneconnexion, et ceci dans un environnement concurrent (un port desortie peut être demandé par plusieurs ports dʼentrée).

Quelques NOC Quelques NOC AcadémiquesAcadémiques

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SPIN (Scalable Programmable Integrated Network)LIP6- 2000• Commutation de paquet • topologie en arbre• latence limité• extensible • reduit le nbre de routeur• controle de flus based-credit sur des liens bidirectionnels

ANOC (Asynchronous NOC) LETICe réseau a été utilisé pour construire un système sur puce qui a la possibilité de gérer les besoins des applications de télécommunications • performance en terme de latence et debit• grille 2D • commutation de paquet wormhole

Quelques NOCs Quelques NOCs AcadémiquesAcadémiques

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QNOC (Quality of service NOC)l’institut technologique du Technion (Israël) • topologie 2D • suporte des échanges synchrones ou asynchrones• commutation de paquets de type wormhole.

HERMES • topologie maillée 2D • commutation de paquets Wormhole• Un buffer sur les ports d’entrée• un arbitrage de type « Round-Robin » • un algorithme de routage gérant les conflits permettent d’éviter les situations d’interblocage dans ce réseau

Limites des Réseaux sur Limites des Réseaux sur Puce Puce

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Cohérence des caches

Fiabilité

Ordre des communications

Conception

Conclusion Conclusion

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Il existe plusieurs réseaux sur puce universitaires. Cependant, aucune solution n’a été commercialisée. Ceci est dû à la complexité du processus de conception et le coût qu’il présente.

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