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三维光片上网络中的高可靠性路由算法设计与仿真实现

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摘要

第1章 绪论

1.1 光片上网络概述

1.1.1 光片上网络的提出

1.1.2 光片上网络关键技术

1.1.3 光片上网络系统

1.1.4 光片上网络拓扑

1.1.5 光片上网络路由算法

1.2 光片上网络研究现状

1.2.1 光学器件发展现状

1.2.2 ONoC拓扑演进现状

1.2.3 光路由器研究现状

1.2.4 路由算法研究现状

1.3 课题研究的意义

1.4 论文结构及内容安排

1.5 课题来源

第2章 三维光片上网络关键技术

2.1 光路由器设计原则及建模

2.1.1 连通性

2.1.2 高性能

2.1.3 端口简约化

2.1.4 MR简约化

2.1.5 模块化

2.2 三维封装技术

2.3 光片上网络串扰分析

2.4 光片上网络热漂移分析

2.5 光片上网络时延分析

2.6 光片上网络芯片面积分析

2.7 本章小结

第3章 3D X-Torus光路由器建模理论与分组转发算法设计

3.1 3D X-Torus拓扑设计

3.1.1 光传输网络层内结构

3.1.2 电控制网络层内结构

3.2 新型光路由器建模与分组转发算法设计

3.2.1 层内光路由器建模与分组转发算法

3.2.2 纵向光路由器建模与分组转发算法

3.3 本章小结

第4章 3D X-Torus中考虑热漂移的可靠性路由算法设计

4.1 光路径串扰分析

4.2 光路径热漂移分析

4.3 考虑热漂移的高可靠性路由算法设计

4.4 算法复杂度分析

4.5 3D X-Torus架构交换机制

4.6 本章小结

第5章 算法仿真与分析

5.1 仿真平台设置

5.2 仿真性能指标

5.3 算法仿真分析

5.3.1 功率损失及串扰噪声

5.3.2 信噪比

5.3.3 总功率损失及总串扰噪声

5.3.4 总信噪比

5.3.5 芯片面积

5.3.6 时延

5.4 本章小结

第6章 全文总结

参考文献

附录

致谢

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摘要

随着电子产品应用种类的增多,不论是高性能计算领域,还是核心网设备、基站以及个人移动通信终端都对处理器的性能提出了更高的要求,这使得传统电片上网络(Nework on Chip,NoC)在带宽、通信效率、可扩展性等方面的问题日益突出。近年来,作为一个有效解决电互连潜在问题的方案,光片上网络(Optical NoC,ONoC)被提出。与NoC相比,ONoC具有更高的带宽、更低的能耗以及更小的传输时延等优势。考虑到芯片内集成的IP核数目逐渐增多,针对三维NoC的研究已步入初步阶段。但现有三维拓扑结构大多面向NoC,而少数针对ONoC所提出的三维拓扑方案多采用全连接方式,从而导致芯片资源浪费严重。此外,当前针对三维ONoC所设计的光路由器存在光开关的冗余部署,且没有对所设计的光路由器进行有效的建模。最后,现有三维ONoC路由算法多采用确定性路由策略,并未考虑ONoC的实时状态。
  为此,本文以三维ONoC为研究对象,构建了一种新的3D X-Torus单(双)向拓扑,从而有效节省拓扑占用的芯片资源。随后,基于该拓扑结构,本文设计了分别应用于单向和双向3D X-Torus拓扑结构的层内光路由器,以及通用的纵向光路由器。最后,对所设计的光路由器进行建模,同时提出相应的路由策略。在设计路由策略时,本文首先针对光路由器设计了内部分组转发算法,实现了微观路由策略,为网络宏观路由奠定了良好的基础;其次,本文对传输分组信号的串扰及热效应进行动态分析,考虑到热漂移会对分组信号信噪比造成影响,本文设计了一种考虑热漂移的高可靠性路由算法,该算法可以综合考虑ONoC当前状态,为分组选取信噪比最高的可行路径,从而尽最大可能保证核心网的分组应答能力。
  本文对所设计的微观分组转发算法和宏观高可靠性路由算法进行了仿真和分析。仿真结果表明,在网络阻塞率及可靠性等方面,本文所设计的3D X-Torus拓扑、光路由器、分组转发算法以及高可靠性路由算法均体现出良好的性能。因此,本文的研究工作可以作为构建三维ONoC的一个有价值的参考。

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