チップ上のネットワーク

ネットワークオンチップまたはネットワークオンチップ( NoC / ˌ ɛ n ˌ oʊ ˈ s iː / en-oh- SEEまたは/ n ɒ k / knock ) ^{[nb 1]は、}集積回路(「マイクロチップ」)上のネットワークベースの通信サブシステムであり、最も一般的にはシステムオンチップ( SoC )内のモジュール間です。 IC 上のモジュールは通常、コンピュータシステムのさまざまな機能を図式化した半導体IP コアであり、ネットワークサイエンスの意味でモジュール化されるように設計されています。ネットワークオンチップは、 SoC モジュール間のルーターベースのパケットスイッチングネットワークです。

NoC 技術は、コンピュータネットワークの理論と手法をオンチップ通信に適用し、従来のバスおよびクロスバー通信アーキテクチャに比べて顕著な改善をもたらします。ネットワークオンチップにはさまざまなネットワークトポロジがあり、その多くは 2018 年時点でまだ実験段階です。^[要出典]

2000年代には、研究者らは、バスベースの設計のスケーラビリティの問題に対処するために、パケット交換ネットワーク^[1]の形でオンチップ相互接続の一種を提案し始めました。先行研究では、ワイヤをルーティングするのではなく、データパケットをルーティングする設計が提案されました。 ^[2]その後、2002年に「ネットワークオンチップ」の概念が提案されました。 ^[3] NoCは、他の通信サブシステム設計と比較して、システムオンチップのスケーラビリティと複雑なSoCの電力効率を改善します。これらは新興技術であり、マルチコアコンピュータアーキテクチャがより一般的になるにつれて、近い将来に大きな成長が予測されています。

構造

NoCは、クロックドメインクロッシングと呼ばれる同期クロックドメインと非同期クロックドメインにまたがったり、クロックされていない非同期ロジックを使用したりすることができます。NoCは、グローバルに非同期でローカルに同期した電子アーキテクチャをサポートし、システムオンチップ上の各プロセッサコアまたは機能ユニットが独自のクロックドメインを持つことができます。^[4]

アーキテクチャ

NoC アーキテクチャは通常、スパーススモールワールドネットワーク(SWN) とスケールフリーネットワーク(SFN) をモデル化して、相互接続ワイヤとポイントツーポイント接続の数、長さ、面積、電力消費を制限します。

トポロジー

トポロジーは、ノードとチャネル間の物理的なレイアウトと接続を決定します。メッセージはホップを通過し、各ホップのチャネル長はトポロジーに依存します。トポロジーは、レイテンシと消費電力の両方に大きな影響を与えます。さらに、トポロジーはノード間の代替パスの数を決定するため、ネットワークトラフィックの分散に影響を与え、その結果、ネットワーク帯域幅とパフォーマンスが達成されます。^[5]

利点

従来、IC は専用のポイントツーポイント接続で設計されており、各信号に 1 本の配線が専用になっています。これにより、高密度のネットワークトポロジーが実現します。特に大規模な設計の場合、物理設計の観点からいくつかの制限があります。相互接続の数の2 乗の電力が必要になります。配線はチップの面積の多くを占め、ナノメートル CMOSテクノロジでは、チップ全体の配線での信号伝播に複数のクロックサイクルが必要になるため、相互接続がパフォーマンスと動的消費電力の両方に大きな影響を与えます。これにより、回路に寄生容量、抵抗、インダクタンスも増えます (ポイントツーポイント接続の配線要件については、レント則を参照してください)。

通信サブシステムにおける相互接続のスパース性と局所性により、従来のバスベースおよびクロスバーベースのシステムに比べていくつかの改善がもたらされます。

並列性とスケーラビリティ

ネットワークオンチップのリンク内の配線は、多くの信号によって共有されます。NoC内のすべてのデータリンクが異なるデータパケットで同時に動作できるため、高いレベルの並列処理が実現されます。^[^なぜ?^{]したがって、}統合システムの複雑さが増すにつれて、NoC は以前の通信アーキテクチャ (専用のポイントツーポイント信号配線、共有バス、ブリッジ付きのセグメント化バスなど) と比較して、パフォーマンス (スループットなど) とスケーラビリティが向上します。アルゴリズム^[^どの?^]は、大規模な並列処理を提供し、NoC の潜在能力を活用できるように設計する必要があります。

現在の研究

一部の研究者^{[誰? ]は、NoCは}サービス品質(QoS)をサポートする必要があると考えています。つまり、スループット、エンドツーエンドの遅延、公平性^[6]、期限に関するさまざまな要件を満たす必要があるということです。^[要出典]オーディオやビデオの再生を含むリアルタイムコンピューティングは、QoSサポートを提供する理由の1つです。ただし、VxWorks、RTLinux、QNXなどの現在のシステム実装では、特別なハードウェアなしで1ミリ秒未満のリアルタイムコンピューティングを実現できます。^[要出典]

これは、多くのリアルタイムアプリケーションでは、既存のオンチップ相互接続インフラストラクチャのサービス品質で十分であり、マイクロ秒単位の精度を実現するには専用のハードウェアロジックが必要であることを示している可能性があります。マイクロ秒単位の精度は、エンドユーザーが実際に必要とすることはめったにありません (サウンドやビデオのジッターには、10 分の 1 ミリ秒の遅延保証のみが必要です)。NoC レベルのサービス品質(QoS) のもう 1 つの目的は、パブリッククラウドコンピューティングインフラストラクチャで、複数のユーザーが同時に 1 つのチップマルチプロセッサのリソースを共有することをサポートすることです。このような場合、ハードウェア QoS ロジックにより、サービスプロバイダーは、ユーザーが受けるサービスのレベルを契約で保証できます。これは、一部の企業や政府のクライアントにとって望ましい機能であると考えられます。^[^{引用が必要}^]

物理リンクレベルからネットワークレベル、さらにはシステムアーキテクチャやアプリケーションソフトウェアに至るまで、すべてのレベルで解決すべき多くの困難な研究課題が残っています。ネットワークオンチップに関する最初の専用研究シンポジウムは、2007年5月にプリンストン大学で開催されました。 ^[7]第2回IEEE国際ネットワークオンチップシンポジウムは、2008年4月にニューカッスル大学で開催されました。

光ネットワークオンチップ（ONoC）を構成する集積光導波路およびデバイスの研究が行われてきた。 ^[8]^[9]

NoCのパフォーマンスを向上させる可能性のある方法は、チップレット間の無線通信チャネルを使用することです。これはワイヤレスネットワークオンチップ（WiNoC）と呼ばれます。^[10]

副次的なメリット

NoCで接続されたマルチコアシステムでは、コヒーレンシメッセージとキャッシュミス要求はスイッチを通過する必要があります。したがって、スイッチには、どのキャッシュブロックがどのコアによって将来要求されるかを検出する簡単な追跡および転送要素を追加できます。次に、転送要素は、要求されたブロックを、将来ブロックを要求する可能性のあるすべてのコアにマルチキャストします。このメカニズムにより、キャッシュミス率が削減されます。^[11]

ベンチマーク

NoCの開発と研究には、さまざまな提案やオプションを比較することが必要です。NoCトラフィックパターンは、そのような評価を支援するために開発中です。既存のNoCベンチマークには、NoCBenchとMCSL NoCトラフィックパターンがあります。^[12]

相互接続処理装置

相互接続処理ユニット（IPU）^[13]は、ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントを備えたオンチップ通信ネットワークであり、一連の通信および同期プリミティブを介してさまざまなシステムオンチッププログラミングモデルの主要機能を共同で実装し、単一のダイ上の現代の異種アプリケーション^[^{定義が必要}^]で高度な機能^[^どの?^{]を可能にする}低レベルのプラットフォームサービスを提供します。

参照

注記

^この記事では、「NoC」を / n ɒ k / nockと発音するという慣例を使用しています。したがって、NoCに対応する不定冠詞には慣例「a」（「a NoC」）を使用しています。他の資料では、 / ˌ ɛ n ˌ oʊ ˈ s iː / en-oh- SEEと発音し、「an NoC」を使用する場合があります。

参考文献

^ Guerrier, P.; Greiner, A. (2000). 「オンチップパケット交換相互接続の汎用アーキテクチャ」Proceedings Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition 2000 (Cat. No. PR00537)。パリ、フランス: IEEE Comput. Soc. pp. 250–256. doi :10.1109/DATE.2000.840047. ISBN 978-0-7695-0537-4. 2022年10月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11月23日閲覧。
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^ Marcello Coppola、Miltos D. Grammatikakis、Riccardo Locatelli、Giuseppe Maruccia、Lorenzo Pieralisi、「コスト効率の高い相互接続処理ユニットの設計: Spidergon STNoC」、CRC Press、2008 年、ISBN 978-1-4200-4471-3

ACM SIGDA 電子ニュースレターの Avinoam Kolodny のコラムを Igor Markov が編集しました。
元のテキストは http://www.sigda.org/newsletter/2006/060415.txt にあります。

さらに読む

Kundu, Santanu; Chattopadhyay, Santanu (2014)。ネットワークオンチップ: 次世代のシステムオンチップ統合(第 1 版)。フロリダ州ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-1-4665-6527-2. OCLC 895661009.
Sheng Ma、Libo Huang、Mingche Lai、Wei Shi、Zhiying Wang (2014)。Networks -on-Chip:実装からプログラミングパラダイムまで(第 1 版)。アムステルダム、オランダ: Morgan Kaufmann。ISBN 978-0-12-801178-2. OCLC 894609116.
Giorgios Dimitrakopoulos、Anastasios Psarras、Ioannis Seitanidis (2014-08-27)。ネットワークオンチップルーターのマイクロアーキテクチャ: 設計者の視点(第 1 版)。ニューヨーク、NY。ISBN 978-1-4614-4301-8. OCLC 890132032.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
Natalie Enright Jerger、Tushar Krishna、Li-Shiuan Peh (2017-06-19)。オンチップネットワーク(第 2 版)。カリフォルニア州サンラファエル。ISBN 978-1-62705-996-1. OCLC 991871622.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
Marzieh Lenjani、Mahmoud Reza Hashemi (2014)。「地域、統計、時間的類似性を活用した共有キャッシュミス率削減のためのツリーベーススキーム」。IET Computers & Digital Techniques。8 : 30–48。doi : 10.1049 /iet-cdt.2011.0066。2018年12月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。

外部リンク

日付 2006 NoC に関するワークショップ
NoCS 2007 - 第 1 回 ACM/IEEE 国際ネットワークオンチップシンポジウム
NoCS 2008 - 第 2 回 IEEE 国際ネットワークオンチップシンポジウム
Jean-Jacques Lecler、Gilles Baillieu、「Design Automation for Embedded Systems」（Springer）、「複雑な SoC 向けのアプリケーション主導型ネットワークオンチップアーキテクチャの調査と改良」、2011 年 6 月、第 15 巻、第 2 号、pp 133–158、doi:10.1007/s10617-011-9075-5 [オンライン] http://www.arteris.com/hs-fs/hub/48858/file-14363521-pdf/docs/springer-appdrivennocarchitecture8.5x11.pdf

[1] ^この記事では、「NoC」を / n ɒ k / nockと発音するという慣例を使用しています。したがって、NoCに対応する不定冠詞には慣例「a」（「a NoC」）を使用しています。他の資料では、 / ˌ ɛ n ˌ oʊ ˈ s iː / en-oh- SEEと発音し、「an NoC」を使用する場合があります。

[2] Guerrier, P.; Greiner, A. (2000). 「オンチップパケット交換相互接続の汎用アーキテクチャ」Proceedings Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition 2000 (Cat. No. PR00537)。パリ、フランス: IEEE Comput. Soc. pp. 250–256. doi :10.1109/DATE.2000.840047. ISBN 978-0-7695-0537-4. 2022年10月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年11月23日閲覧。

[3] Proceedings、2001 Design Automation Conference : 38th DAC: Las Vegas Convention Center、ラスベガス、ネバダ州、2001 年 6 月 18 ～ 22 日。Association for Computing Machinery、ACM Special Interest Group on Design Automation。ニューヨーク、ニューヨーク: Association for Computing Machinery。2001 年。ISBN 1-58113-297-2. OCLC 326240184.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)

[4] Benini, L.; De Micheli, G. (2002年1月). 「Networks on Chips: a new SoC paradigm」. Computer . 35 (1): 70–78. doi :10.1109/2.976921. 2022年10月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年11月23日閲覧。

[:02-5] Kundu, Santanu; Chattopadhyay, Santanu (2014). Network-on-chip: the Next Generation of System-on-Chip Integration (第 1 版). Boca Raton, FL: CRC Press. p. 3. ISBN 978-1-4665-6527-2. OCLC 895661009.

[6] スタッフ、EDN (2023-07-26)。「ネットワークオンチップ（NoC）相互接続トポロジーの説明」EDN 。 2023年11月17日閲覧。

[7] 「チップマルチプロセッサのマルチアプリケーションマッピングにおけるオンチップネットワークレイテンシのバランス調整」IPDPS 2014 年 5 月。

[8] NoCS 2007 2008年9月1日にWayback Machineウェブサイトにアーカイブされました。

[9] オンチップネットワーク参考文献

[ONoC-10] 「チップ間/チップ内光ネットワーク参考文献」。2015年9月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年7月2日閲覧。

[11] Slyusar VI、Slyusar DV ナノアンテナアレイのピラミッド型設計。// VIII アンテナ理論と技術に関する国際会議 (ICATT'11)。 - ウクライナ、キエフ。 - ウクライナ国立工科大学「キエフ工科大学」。 - 2011 年 9 月 20 ～ 23 日。 - Pp. 140 ～ 142。[1] 2019 年 7 月 17 日にWayback Machineにアーカイブされました

[Tree-based_scheme_for_reducing_shared_cache_miss_rate_leveraging_regional,_statistical_and_temporal_similarities-12] ^ Marzieh Lenjani、Mahmoud Reza Hashemi (2014)。「地域、統計、時間的類似性を活用 した共有キャッシュミス率削減のためのツリーベーススキーム」。IET Computers & Digital Techniques。8 : 30–48。doi : 10.1049 /iet-cdt.2011.0066。2018年12月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。

[MCSL_NoC_Traffic_Patterns-13] 「NoC トラフィック」www.ece.ust.hk . 2017 年 12 月 25 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018 年 10 月 8 日閲覧。

[14] Marcello Coppola、Miltos D. Grammatikakis、Riccardo Locatelli、Giuseppe Maruccia、Lorenzo Pieralisi、「コスト効率の高い相互接続処理ユニットの設計: Spidergon STNoC」、CRC Press、2008 年、ISBN 978-1-4200-4471-3