Development and evaluation of hierarchical and reconfigurable networks-on-chip for MPSoCs

Com o advento dos processos submicrônicos, a capacidade de integração de transistores numa mesma pastilha de silício atingiu níveis que possibilitaram a construção dos sistemas com múltiplos processadores num chip (MPSoCs, do inglês MultiProcessor System-on-Chip). Essa possibilidade de integração permite inserir dezenas de Elementos de Processamento (EPs) nos circuitos integrados atuais, e já se projeta centenas de EPs para os sistemas da próxima década (ITRS, 2011). Nesse cenário, um dos principais desafios se refere ao serviço de interconexão dos EPs, que deve apresentar um desempenho de comunicação necessário para as aplicações em execução sem comprometer as limitações de consumo de área e energia do circuito. Nos primeiros sistemas multiprocessados, com poucos nodos, arquiteturas baseadas em barramento foram suficientes para cumprir esses requisitos. Porém, o número de elementos nos sistemas recentes aumentou rapidamente, tornando as redes-em-chip a solução mais apropriada, por aliar escalabilidade e reuso na mesma estrutura. Contudo, diante da previsão de que essa tendência de aumento se manterá retorna a discussão se as redes-em-chip atuais continuarão adequadas para os futuros sistemas. De fato, o custo das redes-em-chip convencionais pode se tornar proibitivo para as escalas dos circuitos em um futuro próximo. Novas propostas têm sido apresentadas na literatura científica onde se podem destacar duas principais estratégias de projeto às redes de interconexão: reconfiguração arquitetural e organização hierárquica da topologia. A reconfiguração arquitetural permite obter uma grande eficiência, independente do tipo de aplicação em execução, pois uma das alternativas é projetar o circuito para que ele se auto adapte conforme os requisitos de desempenho para cada aplicação. Por outro lado, arquiteturas organizadas em topologias hierárquicas são desenvolvidas para uma estrutura computacional definida em tempo de projeto, sendo mais eficazes para uma classe de aplicações. O presente trabalho explora a sinergia da combinação das potencialidades das duas soluções e propõe uma nova estrutura que oferece melhor desempenho para uma classe maior de aplicações apropriada para os futuros sistemas. Como resultado foi implementada uma arquitetura adaptativa chamada MINoC (Multiple Interconnections Networks-on-Chip), uma arquitetura organizada em hierarquia, chamada HiCIT (Hierarchical Crossbar-based Interconnection Topology) e uma simbiose de ambas culminando na arquitetura hierárquica adaptativa HASIN (Hierarchical Adaptive Switching Interconnection Network). São apresentados resultados que mostram a eficiência desses conceitos validando a proposta hierárquica adaptativa.With the advent of submicron processes, the number of transistors integrated on a single chip has reached levels that allowed the design of Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs). This capability allows the integration of several processing elements (PEs) in integrated circuits designed nowadays. In the next decade it is expected that hundreds of PEs will be integrated on a single chip. In this scenario, a key challenge is the interconnection network between PEs, which must provide the communication service required to run applications without compromising the limitations of area and energy consumption. In the first multiprocessor systems, with few nodes, bus-based approaches have been sufficient to meet these requirements. However, current systems increased quickly the number of elements, making the Networks-on-Chip (NoCs) the most appropriate solution, because it handles scalability and reusability in the same structure. Nevertheless, ITRS roadmap predicts that this increase will continue (ITRS, 2011), which resumes the discussion if present NoC architectures will be the most adequate for future systems, since its costs could be prohibitive. Therefore, new proposals have been presented in the literature with two main design strategies: architectural reconfiguration and hierarchical organization of the topology. With the architectural reconfiguration it is possible to obtain an application independent high efficiency structure, because the circuit is designed to adapt itself to satisfy performance requirements. On the other hand, architectural organizations in hierarchical topologies are defined at design time to have the most appropriate features for a class of applications, being very effective. The current work identified the synergy of both approaches and proposes a new symbiotic structure suitable for a broader class of applications. As a result, it was implemented an adaptive architecture called MINoC (Multiple Interconexions Networks-on-chip), an architecture organized in hierarchy called HiCIT (Hierarchical Crossbar-based Interconnection Topology) and a mix of both ending up with the hierarchical adaptive architecture HASIN (Hierarchical Interconnection Network Adaptive Switching). Results show the efficiency of these concepts validating the proposed hierarchical adaptive architecture