一種面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法，它包含以下步驟：1、計算通信軌跡圖中處理節(jié)點的通信權重及連接度，按照通信權重進行降序排列，得到映射隊列；計算結構特征圖中各路由節(jié)點的資源度；2、根據通信權重較高的處理節(jié)點享有較高的優(yōu)先級去選擇資源度高的路由節(jié)點的映射原則，實現處理節(jié)點向路由節(jié)點的依次映射，3、將通信軌跡圖中的通信邊映射到結構特征圖，按照路由通信邊的通信權重高低，實現射頻互聯鏈路的初始化映射；4、基于模擬退火算法，實現射頻互聯鏈路的最優(yōu)化映射和射頻通信節(jié)點的映射。本方法發(fā)明的優(yōu)點是：將處理節(jié)點的映射與ES鏈路映射結合起來，實現應用向拓撲結構的最優(yōu)映射，獲得最好的性能/成本目標。
【專利說明】一種面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于片上網絡【技術領域】，具體涉及一種射頻片上網絡應用映射方法。

【背景技術】
[0002] 隨著CMOS工藝的進步和片上網絡系統(tǒng)規(guī)模的增加，基于金屬銅的片上互聯面臨 著嚴重的性能及功耗瓶頸。根據國際半導體技術藍圖的預測，金屬電氣導線特性的進步不 再滿足未來應用對高效能通信互聯（高帶寬、低時延、低功耗）的巨大需求，光互聯、射頻互 聯、3D互聯等新興片上互聯逐漸成為未來取代傳統(tǒng)RC電氣互聯的可能趨勢。與傳統(tǒng)RC電 氣互聯相比，片上射頻互聯能夠受益于半導體工藝的進步，解決基于金屬銅的片上互聯技 術在大規(guī)模片上網絡中存在的傳輸延遲問題、帶寬密度問題，以及功耗問題；與片上光互連 等新興互聯技術相比，片上射頻互聯表現出更優(yōu)良的CMOS兼容性和可實施性?；谏漕l的 片上網絡融合了傳統(tǒng)RC電氣互聯和片上射頻互聯，已經成為技術過渡時期的主流設計方 案之一，引起了國際上學術界和產業(yè)界的注意，成為未來片上網絡發(fā)展的趨勢之一。
[0003] 與傳統(tǒng)片上網絡不同，射頻片上網絡為層級拓撲結構，包含底層通信子網和射頻 通信子網兩個層級，底層通信子網由路由器及電氣有線互聯組成；射頻通信子網由射頻通 信節(jié)點及射頻互聯組成。底層通信子網的各通信節(jié)點通過電氣有線鏈路實現互聯，非相鄰 的通信節(jié)點之間遵循一定的路由策略，通過中間路由實現通信。射頻片上網絡中射頻通信 節(jié)點之間不需要中間路由，可以通過射頻互聯實現高速one-hop通信，降低通信延時及能 耗。與射頻通信節(jié)點相鄰的路由器在一定路由策略約束下也可以通過射頻通信節(jié)點及射 頻互聯減少傳輸數據的通信路由跳數，提高通信能效。射頻互聯在邏輯上表現為定向的 互聯鏈路，這些定向互聯的鏈路根據應用的互聯通信特征和設計目標進行自適應設計，通 常分配給網絡中通信負載較重的熱點或關鍵路徑，從而提高系統(tǒng)的通信性能及網絡吞吐 量。為了便于描述，本說明書中將射頻片上網絡中的定向射頻互聯鏈路稱為高速捷徑鏈路 ES (Express Shortcut)。合理的ES鏈路配置，能夠以較小的開銷獲得高效的系統(tǒng)通信效率， 有效利用片上射頻互聯資源解決大規(guī)模片上網絡面臨的傳輸瓶頸問題。
[0004] 因此，與傳統(tǒng)片上網絡的應用映射不同，射頻片上網絡的應用映射需要充分考慮 層級網絡拓撲結構特征，以及射頻互連的特殊傳輸特性，不僅實現處理節(jié)點（默認處理節(jié) 點已經完成了任務的分配）向射頻通信節(jié)點和路由器的合理映射，并且還要將射頻互聯鏈 路合理映射給網絡中的射頻通信節(jié)點對。
[0005] 由于目前關于射頻片上網絡的研究還處于起步階段，因此射頻片上網絡領域并未 像傳統(tǒng)的基于電氣互聯的片上網絡研究那樣完善。現有的研究僅僅關注了 ES鏈路的映射 問題，并將該問題與處理節(jié)點映射獨立，沒有把射頻片上網絡的層級拓撲結構當成一個整 體來考慮，影響了設計效率及性能提升空間。并且現有的針對ES鏈路映射問題的研究，忽 略了初始化配置和搜索空間的問題，初始化時只是將ES鏈路隨機地配置到網絡中的通信 節(jié)點對，這在很大程度上影響了搜索結果及收斂速度。隨著片上規(guī)模的不斷擴大，搜索空間 將急劇增加，這種映射方式導致的性能和計算開銷問題將變得越來越突出。
[0006] 應用的通信軌跡特征分為均衡通信（Uniform-traffic)和非均衡通信 (Non-uniform-traffic)兩個大類。均衡通信的應用中各節(jié)點之間的通信頻率和通信量基本 相同，不存在熱點通信。非均衡通信的應用中存在熱點通信，通信熱點相比較其它節(jié)點，通 信更為頻繁，通信量更高。
[0007] 本發(fā)明針對非均衡通信特征的應用，提出了一種射頻片上網絡的應用映射方法。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術問題就是提供一種面向非均衡通信特征的射頻片上網絡 應用映射方法，該方法采用聯合優(yōu)化技術，將處理節(jié)點的映射與ES鏈路映射結合起來，實 現應用向拓撲結構的最優(yōu)映射，使得系統(tǒng)在某種條件的約束下獲得最好的性能/成本目 標。
[0009] 本發(fā)明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，它包括有以下步驟：
[0010] 步驟1、將通信軌跡圖及結構特征圖進行數學化描述，并計算通信軌跡圖中處理節(jié) 點的通信權重及連接度,按照通信權重進行降序排列，得到映射隊列；同時計算結構特征圖 中各路由節(jié)點的資源度；
[0011] 所述處理節(jié)點的通信權重是指處理節(jié)點與通信軌跡圖中其它處理節(jié)點的通信數 據量；
[0012] 所述處理節(jié)點的連接度，是指通信軌跡圖中與該處理節(jié)點有共同邊的處理節(jié)點個 數，即與該處理節(jié)點存在數據通信的節(jié)點個數；
[0013] 所述路由節(jié)點的資源度是指，結構特征圖中與該路由節(jié)點有共同邊的節(jié)點個數， 即與該路由節(jié)點直接相連接的節(jié)點個數。
[0014] 步驟2、根據通信權重較高的處理節(jié)點享有較高的優(yōu)先級去選擇資源度高的路由 節(jié)點的映射原則，實現處理節(jié)點向路由節(jié)點的依次映射，每次映射完成后更新各路由節(jié)點 的資源度；
[0015] 所述通信權重較高的處理節(jié)點享有較高的優(yōu)先級去選擇資源度高的路由節(jié)點的 映射原則是指：按照映射隊列中通信權重從高到底的次序進行處理節(jié)點的映射，且每完成 一次映射，更新各路由節(jié)點的資源度，將己被映射的路由節(jié)點的資源度設置為無效，并將其 相鄰路由節(jié)點的資源度數減少1 ;
[0016] 在當前映射的處理節(jié)點與已經映射的處理節(jié)點不存在數據通信的條件下，將該處 理節(jié)點映射到與已映射處理節(jié)點不相鄰的，且資源度最高的路由節(jié)點；在當前映射的處理 節(jié)點與己經映射的處理節(jié)點存在數據通信的條件下，將該處理節(jié)點映射到距離已映射處理 節(jié)點最近、資源度最高的路由節(jié)點；在當前映射處理節(jié)點與多個已映射處理節(jié)點存在數據 通信的條件下，將該處理節(jié)點映射到距離所有已映射處理節(jié)點最近的路由節(jié)點，即該路由 節(jié)點到達所有已映射處理節(jié)點的距離之和最小。
[0017] 步驟3、將通信軌跡圖中的通信邊映射到結構特征圖，按照路由通信邊的通信權重 高低，實現射頻互聯鏈路的初始化映射；
[0018] 所述路由通信邊是指，將通信軌跡圖中的通信邊映射到結構特征圖時，通信邊的 兩個端點被映射到結構特征圖中不相鄰的兩個點，需要結合路由策略，映射到多條路由邊 的集合，這樣的通信邊稱為路由通信邊；
[0019] 所述路由通信邊的通信權重是指，路由通信邊的兩個端點在結構特征圖中的最小 路由跳數與該通信邊通信數據量的乘積；
[0020] 在射頻互聯鏈路的初始化映射時，將給定的k條射頻互聯鏈路映射到路由通信權 重最高的k條路由通信邊，在有多條路由通信邊的路由通信權重相等時，路由跳數較多的 路由通信邊享有更高的優(yōu)先權獲得射頻互聯鏈路。
[0021] 步驟4、基于模擬退火算法，實現射頻互聯鏈路的最優(yōu)化映射和射頻通信節(jié)點的映 射；
[0022] 模擬退火算法的搜索空間為步驟3中的路由通信邊的集合；
[0023] 所述射頻互聯鏈路的最優(yōu)化映射是指，在給定的資源約束條件和路由策略下，實 現片上網絡設計目標的最優(yōu)。所述約束條件可以是帶寬、能耗、傳輸延遲或者射頻互聯鏈路 的數量；所述目標可以是低通信能耗、低傳輸延時或者兩者的組合；
[0024] 所述射頻通信節(jié)點的映射，是指將映射完成的射頻互聯鏈路所連接的兩個路由節(jié) 點映射為射頻通信節(jié)點。
[0025] 本發(fā)明充分考慮了基于射頻的片上網絡的特殊拓撲結構特征，采用聯合優(yōu)化技 術和啟發(fā)式搜索算法，將處理節(jié)點的映射與ES鏈路映射結合起來，實現應用向層級拓 撲結構的最優(yōu)化映射。為了比較本發(fā)明方法與其它映射方法的實施效果，本發(fā)明仿真 了另外3種ES射頻通信鏈路的映射方法。第1種是采用隨機映射的方法，將給定的k 條ES通信信道隨機分配給網絡中的k個通信對；第2種是文獻[1] "Power reduction of CMP communication networks via RF-interconnects"，Chang M C, Cong J, Kaplan A, et al. Proceedings of the41st annual IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture，Lake Como, Italy, 2008, IEEE Computer Society:379_380("利用射頻 互聯降低片上多核處理器系統(tǒng)的通訊網絡功耗"，弗蘭克，從京生，卡普蘭等·第41屆IEEE/ ACM微體系結構國際會議，意大利鹽湖，2〇〇8, IEEE計算機學會出版：379-380頁.）中采用 的基于區(qū)域通信優(yōu)化的方法，這種映射方法將給定的k條ES通信信道分配給不同的通信區(qū) 域，使得各個不相交的區(qū)域間的通信開銷最小。第3種是窮盡搜索算法，在完成所有節(jié)點的 映射后，采用窮盡搜素算法將ES通信信道分配給使得網絡整體性能最優(yōu)的非相鄰通信邊。 實驗結果表明，基于區(qū)域通信優(yōu)化的映射方法、本發(fā)明所提出的映射方法以及基于窮盡搜 索的映射方法與隨機映射方法相比，分別能夠減少8. 3%，12. 9%和16. 3%的平均網絡延 時，以及6. 2%, 15. 3%，20. 4%的網絡能耗。雖然窮盡搜索算法的仿真效果略好于本發(fā)明所 提出的方法，但這是以其巨大的計算開銷為代價的。由于窮盡搜索算法需要遍歷所有可能 的非相鄰通信邊，因此其搜索空間會隨著非相鄰通信邊集合的增大而急劇增加。而本發(fā)明 所提出的映射方法與窮盡搜索算法相比，隨著非相鄰通信邊集合的增大，其搜索空間呈數 量級減少，將極大的節(jié)約設計成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 本發(fā)明的【專利附圖】

【附圖說明】如下：
[0027] 圖1本發(fā)明實施例通信軌跡圖：一個包含I6個處理節(jié)點的通信軌跡圖；
[0028] 圖2本發(fā)明實施例結構特征圖：一個包含16個路由節(jié)點的射頻片上網絡結構特征 圖；
[0029] 圖3本發(fā)明實施例中處理節(jié)點向路由節(jié)點的映射示例1 ;
[0030] 圖4本發(fā)明實施例中處理節(jié)點向路由節(jié)點的映射示例2 ;
[0031] 圖5本發(fā)明實施例中處理節(jié)點向路由節(jié)點的映射示例3 ;
[0032] 圖6本發(fā)明實施例中處理節(jié)點向路由節(jié)點的映射結果示意圖；
[0033] 圖7本發(fā)明實施例完成處理節(jié)點映射后的路由通信邊；
[0034] 圖7a本實施例通信軌跡圖的路由通信邊；
[0035] 圖7b本實施例路由通信邊在結構特征圖中的映射；
[0036] 圖8本發(fā)明實施例的射頻互聯鏈路映射示意圖；
[0037] 圖9本發(fā)明實施例基于模擬退火算法的布局優(yōu)化流程。

【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：
[0039] 本實施例的通信軌跡圖如圖1所示，它包含16個處理節(jié)點，該通信特征圖呈現& 非均衡的通信特征，且存在熱點通信。圖1中，小圓圈表示處理節(jié)點，pi表示所有處理節(jié)點 的編號，若某兩個小圓圈之間的連線，則表示這兩個處理節(jié)點之間存在著通信關系，連 標寫得數字表示這兩個處理節(jié)點的通信量。 >
[0040] 本實施例的射頻片上網絡結構特征圖如圖2所示，其底層通信子網為4X4的二維 網格結構，包括16個路由節(jié)點，射頻通信子網包括4個射頻通信節(jié)點，可提供2條射頻通信 鏈路。圖2中，小方框表示路由節(jié)點，小方框之間的短線表示電氣連線，虛線表示待映射射· 頻通信鏈路，虛線上的箭頭代表該射頻通信鏈路的通信方向。（由于映射前射頻通信鏈路映 射位置未定，因此圖2中虛線的起始位置沒有放置到任何方框上。）
[0041] 根據圖1和圖2,該實施例的應用映射問題可描述為：對給定的一個包含16個處 理節(jié)點的通信軌跡圖（圖1)，以及給定的一個基于二維網格的射頻片上網絡結構特征圖 (圖2)，通過本方法發(fā)明提出的映射方法，將16個處理節(jié)點映射到結構特征圖中的16個路 由節(jié)點，并選擇2個路由節(jié)點對映射射頻互聯鏈路及射頻通信節(jié)點，使得網絡通信能耗最 低。
[0042] 下面結合該實施例，根據本發(fā)明實施的步驟如下：
[0043] 步驟1、將通信軌跡圖CTG(Communication Traffic Graph)及結構特征圖 ATG(Architecture Traffic Graph)進行數學化描述，并計算每個處理節(jié)點的度及通信權 重，按照通信權重進行降序排列，得到映射隊列S ;同時計算每個路由節(jié)點的資源度。
[0044] 對給定的包含η個（本實施例中η = 16)處理節(jié)點的通信軌跡圖CTG，p為處理節(jié) 點，本實施例采用WX 16的軌跡矩陣來描述，矩陣中的點表示處理節(jié)點Pi向處理節(jié)點 發(fā)送的數據信息量。
[0045] 那么，處理節(jié)點的連接度及通信權重計算如下：
[0046] Vpi e P，處理節(jié)點Pi的連接度，
[0047]

【權利要求】
1. 一種面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法，其特征是，包含以下步 驟： 步驟1、將通信軌跡圖及結構特征圖進行數學化描述，并計算通信軌跡圖中處理節(jié)點的 通信權重及連接度，按照通信權重進行降序排列，得到映射隊列；同時計算結構特征圖中各 路由節(jié)點的資源度； 步驟2、根據通信權重較高的處理節(jié)點享有較高的優(yōu)先級去選擇資源度高的路由節(jié)點 的映射原則，實現處理節(jié)點向路由節(jié)點的依次映射，每次映射完成后更新各路由節(jié)點的資 源度； 步驟3、將通信軌跡圖中的通信邊映射到結構特征圖，按照路由通信邊的通信權重高 低，實現射頻互聯鏈路的初始化映射； 步驟4、基于模擬退火算法，實現射頻互聯鏈路的最優(yōu)化映射和射頻通信節(jié)點的映射。
2. 根據權利要求1所述的面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法，其特征 是，在步驟1中，所述處理節(jié)點Pi的連接度為： D (pi)=工.{? X F(ctj| ) -f- ! 1 - a J x F(ctjj )} _ , , (1, ifct,, =s〇 (:, i：ct" 0 其中，其中，F丨 . ·.' κ=' . f〇, ifct,, = 0 (0, net,, = 0 處理節(jié)點Pi的通信數據量為： V (Pi) =〉 (ct；, + ctp) 所述處理節(jié)點Pi的通信權重為： T (pD = D (pD XV (pD P為處理節(jié)點，n為處理節(jié)點的總數，為處理節(jié)點Pi向處理節(jié)點&發(fā)送的數據信息 比特數量。
3. 根據權利要求2所述的面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法，其特征 是：在步驟2中，在當前映射的處理節(jié)點與已經映射的處理節(jié)點不存在數據通信的條件下， 將該處理節(jié)點映射到與已映射處理節(jié)點不相鄰的，且資源度最高的路由節(jié)點；在當前映射 的處理節(jié)點與已經映射的處理節(jié)點存在數據通信的條件下，將該處理節(jié)點映射到距離已映 射處理節(jié)點最近、資源度最高的路由節(jié)點；在當前映射處理節(jié)點與多個已映射處理節(jié)點存 在數據通信的條件下，將該處理節(jié)點映射到距離所有已映射處理節(jié)點最近的路由節(jié)點。
4. 根據權利要求3所述的面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法，其特征 是，在步驟3中，路由通信邊e(pk， Pp在結構特征圖中的通信權重為： W-r (M (pk) - Μ (ρ』)）=β hops (M (pk) - Μ (ρ』)）X W (e (pk, ρ』） 其中，i3h()ps(M(Pk) -M(Pp)是路由通信邊在結構特征圖中從路由節(jié)點M(pk)到路由節(jié) 點1(口』）的最小路由跳數；1(6(口15，口』)）為路由通信邊6(口15，口』）的權重。
5. 根據權利要求4所述的面向非均衡通信特征的射頻片上網絡應用映射方法，其特征 是，在步驟3中，將給定的k條射頻互聯鏈路映射到路由通信權重最高的k條路由通信邊， 在有多條路由通信邊的路由通信權重相等的條件下，路由跳數較多的路由通信邊享有更高 的優(yōu)先權獲得射頻互聯鏈路。
【文檔編號】H04L12/701GK104270308SQ201410544934
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權日:2014年10月15日
【發(fā)明者】肖春華, 沙行勉, 諸葛晴鳳, 吳剴劼, 劉韋辰 申請人:重慶大學