دانلود رایگان مقاله تخصیص بافر آگاه حرارتی پویا برای الگوریتم مسیریابی

چکیده

          مشکلات حرارتی بر روی سیستم های سه بعدی شبکه تراشه ای(3D NOC) به دلیل انباشته شدن بر روی استک و هدایت حرارتی مختلف بین لایه ها جدی تر شده است. تا به حال، بسیاری از آثار قبلی نمی تواند به تعادل حرارتی از سیستم شبکه ی سه بعدی دست پیدا کنند از آنجایی که آنها تنها درجه حرارت و یا فقط اطلاعات ترافیک را در نظر می گیرند. ما یک طرح تخصیص بافر بلادرنگ حرارتی-پویا (PTDBA) برای محدود رکدن منابع مسیریابی در سراسر مناطقی که بیش از حد گرم شده اند را ارائه کرده ایم. علاوه بر این، ما فرکانس تعویض در مناطق روتر بیش از حد گرم شده را کاهش می دهیم. با انجام این کار، ما می تواند نرخ افزایش درجه حرارت را کاهش بدهیم. بر اساس پیشنهاد  PTDBA ، ما می توانیم بار ترافیک را با استفاده از اشغال بافر مجددا توزیع کنیم. نتایج تجربی نشان می دهد که طرح پیشنهادی می تواند انحراف از توزیع دما را در حدود 25.6٪ کاهش می دهد و به بهبود توان عملیاتی شبکه در مش نامنظم غیر ثابت با 74.8٪ در مقایسه با PTB3R کمک نماید.

1. مقدمه

           همچنان که پیچیدگی سیستم بر روی تراشه (SoC) با پیشرفته شدن تکنولوژی رشد می کند، شبکه سه بعدی بر روی تراشه (3D NOC) به عنوان یک پارادایم بر روی تراشه ارتباطات به منظور یکپارچه سازی مقدار بالاتر از مالکیت (IP) هسته پیشرفت می کند [1]. D3 NoC فاصله از اتصالات جهانی را کاهش می دهد و پهنای باند بالاتر با مصرف انرژی کمتری را فراهم می کند [2]. با این حال، به دلیل از بین رفتن استک ها و همچنین به دلیل محل سینک حرارت، مسیر اتلاف حرارت و در نتیجه چگالی توان بالاتر باعث مشکلات حرارتی جدی تری می شوند. مسائل حرارتی باعث کاهش عملکرد سیستم و افزایش قدرت نشت می شوند، که بیشتر باعث می شود که حرارت از منطقه خارج شود [15]. برای حل مسئله حرارتی در 3 D NOC، دو روش عمده به کار گرفته می شود: روش اول اجرا حرارتی مدیریت زمان است (RTM) [11] [13] و از سوی دیگر می توان الگوریتم تعادل حرارتی مبتنی بر مسیریابی را نام برد [5] [12].

          برای حفظ درجه حرارت سیستم زیر حد حرارتی خاص، مکانیزم گلوگاه از RTM فعال می شود زمانی که دمای سیستم به سطح هشدار دهنده می رسد [13]. با این حال، این مکانیسم RTM معمولا به واکنش بزرگ در عملکرد غیر ثابت نامنظم (NSI) منجر می شود [16]. برای کاهش تخریب عملکرد، چند RTMS فعال برای اقدامات مناسب در هنگام وقوع سطح حرارتی اضطراری پیش بینی شده اند [3] [11]. با این حال، آن باعث ترافیک عدم تعادل با توجه به تغییرات ناگهانی در ترافیک مش NSI خواهد شد. در نتیجه، سیستمی که از RTM فعال (PRTM) استفاده  می کند هنوز هم از تخریب عملکرد چشمگیر در مش NSI ناشی از مکانیزم گلوگاه رنج می برد[13]. از این رو ما نیاز به تنظیم منابع مسیریابی (به عنوان مثال، عمق بافر) از طریق استفاده از اطلاعات حرارتی انتقال ترافیک به سمت منطقه خنک تر و غیر متراکم در دامنه زمانی و مکانی هستیم.

          از سوی دیگر، چن و همکاران پیشنهاد یک مسیریابی ترافیک کمربندی حرارتی آگاه تطبیقی (TTABR) به منظور تعادل در توزیع دما از طریق موازنه بار ترافیک را داده اند[5]. فرض بر این است که توزیع ترافیک می تواند توزیع حرارتی فضایی را تحت تاثیر قرار دهد. TTABR یک مسیر اضافی غیر حداقل را فراهم می کند. بنابراین، بسته یک فرصت برای مسیر انحرافی را در مسیر حداقل دارا می باشد. بر اساس اطلاعات ترافیک، TTABR یک مسیر انطباقی بین مسیر حداقل و غیر حداقل را انتخاب می کند. با این حال، TTABR هنوز احتمال این را دارد که بسته را از طریق منطقه بالقوه بیش از حد گرم شده با توجه به فقدان اطلاعات حرارتی تحویل دهد.

         بر اساس TTABR، کو و همکاران با استفاده از یک شاخص حرارتی آگاه مسیریابی ، متوسط زمان دریچه گاز (MTTT)، از زمان فعال باقی مانده از روتر قبلی از درجه حرارت سطح هشدار دهنده استفاده می کردند[12]. آنها مسیریابی بلادرنگ مبتنی بر حرارت بودجه (PTB3R) را برای تعادل توزیع حرارتی بیشتر ارائه کرده اند. با این حال، اطلاعات حرارتی نمی تواند از سنسور حرارتی در هر زمان به دست بیاید. در شکل 1 (الف)، بر اساس نمونه گیری دمای گذشته، PTB 3R همیشه راه خنکتر را انتخاب می کنند تا پس از آن را مسیر  شرقی مسیر کولر متراکم شود. برای حل مشکل، انتخاب تصادفی با توجه به توزیع نرمال MTTT مورد نیاز است. اگرچه روتر خنکتر را می توان با مدیریت بسته های روشن کمتر به دست آورد، منطقه خنکتر ممکن است از دو شرط ترافیک رنج ببرد:

1) منطقه خنکتر ناشی از به ندرت انتخاب انتقال بسته.

2) منطقه خنکتر ناشی از تراکم. روترها در منطقه نمی تواند بسته های بیشتری را روشن کنند.

          PTB3R در [12] وضعیت ترافیک دوم را به حساب نمی آورد، از آن جا که آن بسته ها را به منطقه متراکم خنک تر تنها زمانی انتقال می دهد که اطلاعات حرارتی آن ها فراهم باشد. 

          از این رو، برای حل مشکل، ما یک طرح تخصیص بافر بلادرنگ حرارتی پویا (PTDBA) برای محدود کردن منابع مسیریابی در اطراف منطقه بیش از حد گرم شده ارائه کرده ایم. ما از مسیریابی فعال ازدحام آگاه برای تعادل توزیع حرارتی از طریق دور زدن منطقه متراکم و بیش از حد گرم شده استفاده می کنیم، همانطور که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است. روش ارائه شده نیز همچنین مسیر بین مسیر حداقل و مسیر غیر حداقل مانند TTABR و PTB3R را انتخاب می کند. شبکه می تواند توزیع دما متعادل تری را به دست بیاورد. کمک های این مقاله به شرح زیر خلاصه می شوند:

          1) طرح PTDBA هر دو اطلاعات حرارتی مکانی و زمانی را در نظر میگیرد: از آنجا که هات اسپات ها از تعویض بسته های بیش از حد منجر می شوند، تنظیم عمق بافر با توجه به تفاوت های فضایی از اطلاعات حرارتی پیش بینی شدهمی تواند منجر به محدود کردن منابع مسیریابی مناطق بیش از حد گرم شده شود، اینکار می تواند منجر به کم کردن سرعت نرخ افزایش درجه حرارت شود.

          2) ما الگوریتم مسیریابی فعال ازدحام آگاه را برای تعادل توزیع حرارتی از طریق دور زدن مناطق متراکم و بیش از حد گرم شده اعمال می کنیم، به دلیل که PTDBA باعث می شود منطقه بیش از حد گرم نسبتا متراکم شود. استراتژی انتخاب مسیر با استفاده از اطلاعات بافر روتر همسایه [14] برای انتخاب یک مسیر به سمت منطقه خنکتر و غیر متراکم انجام می شود.

         برای ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی، ترافیک حرارتی پلت فرم متقابل کوپلینگ شبیه سازی [10]  شده است نتایج تجربی نشان می دهد که روش ارائه شده می تواند توان سیستم به اندازه ی 74.8٪ بهبود دهد و باعث کاهش انحراف معیار دمای بین روتر های 25.6٪ در مقایسه با PTB3R شود 

         بقیه این مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. در بخش دوم، برخی از طرح های مسیریابی مرتبط برای ایجاد تعادل در توزیع دما را معرفی می کنیم. در بخش سوم، PTDBA پیشنهاد شده برای الگوریتم مسیریابی فعال شرح داده شده است. در بخش چهارم، آزمایش نشان داده شده و بحث شده است. در نهایت، در بخش V نتیجه گیری خواهیم کرد.

Abstract

        The thermal problems of three-dimensional Networkon-Chip (3D NoC) systems become more serious because of die stacking and different thermal conductance between layers. Up to now, most previous works cannot further achieve thermal balance of the 3D NoC systems since they consider either only temperature or only traffic information. We propose a Proactive ThermalDynamic-Buffer Allocation (PTDBA) scheme to constrain the routing resource around overheated regions. In addition, we reduce the frequency of packets switching in overheated router regions. By doing so, we can slow down the rate of temperature increment. Based on the proposed PTDBA, we can redistribute traffic load by means of buffer occupancy. The experimental results show that the proposed scheme can reduce the deviation of temperature distribution by 25.6% and help to improve network throughput in non-stationary irregular mesh by 74.8% compared with PTB3R.

INTRODUCTION

        As the complexity of System-on-Chip (SoC) grows with the advance technology scaling, three-dimensional Network-on-Chip (3D NoC) emerges as a scalable on-chip communication paradigm for integrating higher amount of intellectual property (IP) cores [1]. 3D NoC reduces the distance of global interconnects and provides higher bandwidth with lower power consumption [2]. However, because of the die stacking and location of the heat sink, longer heat dissipation path and higher power density result in more serious thermal problems in 3D NoC. Thermal issues degrade the system performance and increases leakage power, which further causes the thermal runaway [15]. To solve the thermal issue on 3D NoC, two major approaches are employed: One is run-time thermal managements (RTM) [11][13] and the other is routing based thermal balance algorithm [5][12].

         To keep the system temperature below a certain thermal limit, the throttling mechanisms of RTM are triggered as the system temperature reaches the alarming level [13]. However, these reactive RTM mechanisms usually result in huge performance impact under Non Stationary Irregular (NSI) mesh [16]. To mitigate the performance degradation, several proactive RTMs were proposed to take proper actions in advance based on the information of predictive thermalemergency level [3][11]. However, it causes unbalance traffic due to the sudden traffic changes in the NSI mesh. Consequently, the system using proactive RTM (PRTM) still suffers from dramatic performance degradation in NSI mesh resulting from throttling mechanisms [13]. Hence we need to adjust routing resource (e.g., buffer depth) through the use of thermal information to move traffic toward cooler and noncongested region in temporal and spatial domain.

        On the other hand, Chen et al. proposed a Traffic- and Thermalaware Adaptive Beltway Routing (TTABR) to balance the temperature distribution through balancing the traffic load [5]. The assumption is that traffic distribution can influence spatial thermal distribution. The TTABR provides an extra non-minimal path. Therefore, the packets have a chance to detour the congested minimal path region. Based on the traffic information, the TTABR adaptively selects a path between the minimal path and the non-minimal beltway path. However, the TTABR still has high probability to deliver the packetsthrough potential overheated region due to the lack of thermal information.

        Based on TTABR, Kuo et al. uses a novel thermal-aware routing index, Mean Time to Throttle (MTTT), to represent the remaining active time of the router before the temperature reaches the alarming level [12]. They proposed the Proactive Thermal-budget-based Beltway Routing (PTB3R) for further balancing thermal distribution. However, the thermal information cannot be obtained from thermal sensors at any time. In Fig. 1(a), based on the last temperature sampling, PTB3R always choose the cooler path so it makes the cooler eastern path and beltway path congested. To resolve the problem, the random selection according to the distribution of the normalized MTTT is needed. Although cooler routers can be achieved by handling fewer switched packets, the cooler region may suffer from two traffic conditions:

1) Cooler region caused by seldom choice of packet transmitting.

2) Cooler region caused by congestion. The routers in the region cannot switch more packets.

        The PTB3R in [12] does not take the second traffic condition into account since it transmits packets to the cooler and possible congested region only depending on thermal information.

         Hence, to resolve the problem, we propose a Proactive Thermal Dynamic Buffer Allocation (PTDBA) scheme to constrain routing resource around the overheated region. We use the congestion-aware proactive routing to balance thermal distribution through bypassing the congested and overheated region as shown in Fig. 1(b). The proposed method also selects the path between the minimal path and the nonminimal path like TTABR and PTB3R. The network can achieve more balanced temperature distribution. The contributions of this paper are summarized as follows:

        1) The PTDBA scheme considers both spatial and temporal thermal information: Because thermal hotpots result from switching excessive packets, the adjustment of buffer depth according to the spatial difference from temporal predicted thermal information can constrain routing resource around overheated regions in order to slow down the rate of temperature increment.

         2) We apply congestion-aware proactive routing algorithm to balance thermal distribution through bypassing the congested and overheated regions because PTDBA makes the overheated region relatively congested. The path selection strategy uses the buffer information of neighbor routers [14] to choose a path toward the cooler and non-congested region. 

        To evaluate the performance of the proposed method, the trafficthermal mutual coupling co-simulation platform [10] is employed. The experimental results show that the proposed method can improve the system throughput by 74.8% and reduce the standard deviation of temperature among routers by 25.6% compared with PTB3R.

       The rest of this paper is organized as follows. In Section II, we introduce some related routing schemes for balancing temperature distribution. In Section III, the proposed PTDBA for proactive routing algorithm is described. In Section IV, the experiments are shown and discussed. Finally, we conclude this paper in Section V.

چکیده

1. مقدمه

2. آثار مربوطه

A. مسیریابی راه ترافیک حرارتی آگاه تطبیقی  (جدول) [5]

B. الگوریتم مسیریابی بلادرنگ حرارتی بودجه مبتنی بر راه (PTB3R) [12]

3. تخصیص بافر حرارتی آگاه دینامیک برای الگوریتم مسیریابی فعال

A. طرح تخصیص بافر پیشنهادی بلادرنگ پویای حرارتی (PTDBA) 

B. مسیریابی بلادرنگ بر اساس PTDBA

4. آزمایش و بحث

A. تجزیه و تحلیل توزیع دما و ترافیک آماری توزیع بار (STLD)

B. تجزیه و تحلیل سیستم های در مش  NSI 

5. نتیجه گیری 

منابع

Abstract

1INTRODUCTION

 2RELATED WORKS

A. Traffic- and Thermal-aware Adaptive Beltway Routing (TTABR) [5]

B. Proactive Thermal-Budget-Based Beltway Routing (PTB3R) Algorithm[12]

 3THERMAL-AWARE DYNAMIC BUFFER ALLOCATION FOR PROACTIVE ROUTING ALGORITHM

A. Proposed Proactive Thermal Dynamic Buffer Allocation (PTDBA) Scheme

B. Proactive Routing based on PTDBA

 4EXPERIMENT AND DISCUSSION

A. Analysis of Temperature Distribution and Statistical Traffic Load Distribution (STLD)

B. Analysis of System Throughput in NSI Mesh

 5CONCLUSIONS

REFERENCES