Luận án tiến sĩ công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông giải pháp mạng trên chip tái cấu hình dùng cho các hệ thống phức hợp

Cơng trình hồn thành Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Xuân Tú PGS.TS Ngô Diên Tập Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Trang Phản biện 2: TS Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 3: TS Nguyễn Vũ Thắng Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận án tiến sĩ họp tại: Phòng 212, Nhà E3, Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội vào hồi 13 30 ngày 21 tháng 12 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan toàn nội dung trình bày luận án cơng trình nghiên cứu riêng tác giả nhóm cán hướng dẫn gồm PGS.TS Trần Xuân Tú PGS.TS Ngô Diên Tập Các số liệu kết trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Lê Văn Thanh Vũ LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận án tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Xuân Tú - người tận tình, tận tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước giúp đỡ đóng góp ý kiến q báu PGS.TS Ngơ Diên Tập để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô, cán Phịng thí nghiệm trọng điểm Hệ thống tích hợp thơng minh, Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ tơi q trình thực luận án Xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, đặc biệt thầy cô Bộ môn Điện tử Kỹ thuật Máy tính giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập nghiên cứu Nhà trường Tôi chân thành cảm ơn hỗ trợ vật chất tinh thần Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế; Khoa Điện tử – Viễn thông Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Cuối cùng, xin cảm ơn đến Vợ Con - Phan Thị Hạnh Nguyên Lê Vũ Bảo Ngọc nguồn động lực vô tận để vững bước đường nghiên cứu thực luận án Đồng thời, muốn gửi lời cảm ơn đến Cha Mẹ anh chị em động viên giúp đỡ thời gian qua tương lai tới Mục lục Mục lục i Danh mục ký hiệu chữ viết tắt iv Danh mục bảng vii Danh mục hình vẽ, đồ thị viii Mở đầu Chương 1: Tổng quan mạng chip 1.1 Giải pháp truyền thông mạng chip 1.2 Cấu trúc liên kết 1.3 Kỹ thuật truyền thông 12 1.4 1.5 1.3.1 Cơ chế điều khiển luồng 15 1.3.2 Cơ chế điều chuyển liệu 17 1.3.3 Chiến lược đệm 18 Giải thuật định tuyến 21 1.4.1 Phân loại định tuyến 22 1.4.2 Giải thuật định tuyến tĩnh 23 1.4.3 Giải thuật định tuyến thích nghi 25 1.4.4 Thực định tuyến 29 Kết luận chương 31 Chương 2: Vấn đề tái cấu hình truyền thơng tái cấu hình 33 2.1 Hệ thống chip định hướng tái cấu hình 34 2.2 Vấn đề tái cấu hình mạng chip 38 2.3 2.2.1 Động lực thách thức mạng chip tái cấu hình 39 2.2.2 Phân loại giải pháp tái cấu hình mạng chip 42 Một số kiến trúc mạng chip tái cấu hình điển hình 46 i 2.4 2.3.1 Tái cấu hình cấu trúc liên kết 47 2.3.2 Tái cấu hình kiến trúc định tuyến 48 Các vấn đề cần quan tâm xây dựng giải pháp truyền thơng tái cấu hình 52 2.5 2.4.1 Hoạt động quản lý cấu hình điều khiển truyền thông 53 2.4.2 Giải thuật định tuyến cho mạng chip tái cấu hình 55 Tổng kết chương 58 Chương 3: 3.1 3.2 Giải pháp tái cấu hình cho mạng chip 63 Cơ sở thực giải pháp tái cấu hình 64 3.1.1 Một số định nghĩa 64 3.1.2 Cơ sở giải pháp tái cấu hình 66 Giải pháp cập nhật thông tin định tuyến 70 3.2.1 Cập nhật định tuyến định tuyến bị cấm nằm đoạn thẳng định tuyến 70 3.2.2 Cập nhật định tuyến định tuyến bị cấm nằm góc định tuyến 72 3.2.3 Cập nhật định tuyến định tuyến bị cấm nằm lân cận góc định tuyến 73 3.3 3.4 3.5 Kiến trúc định tuyến tái cấu hình đề xuất 75 3.3.1 Giải pháp kiến trúc cho định tuyến 75 3.3.2 Kiến trúc chi tiết khối cổng lối vào lối 79 3.3.3 Kiến trúc thực hoạt động cập nhật định tuyến 82 Mơ hình hóa, kiểm chứng thực thi 86 3.4.1 Mơ hình hóa kiến trúc định tuyến tái cấu hình 87 3.4.2 Thực thi kiến trúc 90 Kết luận chương 94 Chương 4: Đánh giá hiệu truyền thông hiệu giải pháp tái cấu hình 4.1 4.2 96 Hoạt động đánh giá hiệu truyền thông mạng chip 97 4.1.1 Thông số đánh giá hiệu truyền thông 97 4.1.2 Phương pháp đánh giá 99 Đánh giá hoạt động truyền thông chip 101 4.2.1 Thiết kế cho đánh giá truyền thông 101 ii 4.3 4.2.2 Kịch đánh giá 102 4.2.3 Kết đánh giá 104 Đánh giá giải pháp tái cấu hình mạng chip 107 4.3.1 Phương pháp đánh giá giải pháp tái cấu hình mạng chip 107 4.3.2 4.4 Mô kết 109 Kết luận chương 115 Kết luận hướng phát triển 117 Danh mục cơng trình khoa học tác giả liên quan đến luận án 120 Tài liệu tham khảo 121 iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Từ viết tắt Từ tiếng Anh Mơ tả µPU micro Processor Unit Đơn vị vi xử lý ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số ALU Arithmetic Logic Unit Đơn vị tính tốn số học ASIC Application Specific Inte- Mạch tích hợp chuyên dụng grated Circuit ASIP Application Specific In- Vi xử lý với tập lệnh chuyên dụng struction Processor BIST Built-In Self-Test Thiết kế có chế tự kiểm tra bên CEB Configuration Exchange Bộ đệm trao đổi cấu hình Buffer CF Congestion Factor Hệ số tắc nghẽn CGRA Coarse-Grained Reconfig- Kiến trúc tái cấu hình hạt nhân thơ urable Architecture Complex Complex System Hệ thống gồm nhiều lõi chức System khác tích hợp chip tạo nên vi mạch hoàn thiện DAC Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số-tương tự DEB Data Exchange Buffer Bộ đệm trao đổi liệu DF Distance Factor Hệ số khoảng cách DFT Design for Test Thiết kế cho phép tự kiểm tra sai hỏng DOR DSM Dimenssion Order Rout- Giải thuật định tuyến ưu tiên theo ing hướng Deep Submicron Công nghệ chế tạo nhỏ micro iv DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số flit Flow control unit Đơn vị thông tin truyền thông chip FPGA Field-Programmable Mảng cổng logic khả trình Gate Array FGRA Fine-Grained Reconfig- Kiến trúc tái cấu hình hạt nhân tinh urable Architecture FSM Finite State Machine Máy trạng thái hữu hạn GPP General Purpose Proces- Bộ vi xử lý đa dụng sor HOL Head-of-line block Khóa đầu tuyến HRE Heterogeneous Reconfig- Cơng cụ tái cấu hình khơng đồng urable Engine IPcore Intellectual Property core Lõi IP ISRC Intelligent Service Recon- Cơng cụ tính tốn tái cấu hình figure Computing thơng minh LUT Look-Up Table Bảng tìm kiếm MGRA Middle-Grained Recon- Kiến trúc tái cấu hình hạt nhân figurable Architecture NF trung algo- Negative First algorithm rithm NL Giải thuật định tuyến phía Âm trước algo- North Last algorithm Giải thuật định tuyến phía Bắc cuối rithm NI Network Interface Giao tiếp mạng NoC Network-on-Chip Mạng chip NRE cost Non Recurring Engineer- Chi phí nghiên cứu lần đầu ing cost OCP Open Core Protocol Chuẩn giao tiếp lõi mở OE routing Odd-Even Routing Giải thuật định tuyến chẵn lẻ Pflit Physical flow control unit Đơn vị thông tin vật lý lan truyền qua liên kết định tuyến PTT Path-To-Target Trường định tuyến QoS Quality of Service Đảm bảo chất lượng dịch vụ Router Bộ định tuyến v RAM Random Access Memory RNoC Reconfigurable Network- Mạng chip có khả tái cấu on-Chip RPU Reconfigurable Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên hình Process- Đơn vị xử lý tái cấu hình ing Unit RSoC Reconfigurable System- Hệ thống chip có khả tái on-Chip cấu hình RTL Register Transfer Level Mức chuyển dịch ghi SoC System-on-Chip Hệ thống chip SAF Store and Forward Cơ chế lưu chuyển tiếp SXY routing Surround XY routing Giải thuật định tuyến vòng XY Topology Topology Cấu trúc liên kết mạng TLM Transaction-Level Model- Mơ hình hóa mức giao dịch ing VCPIQ Virtual Channel Priority Hàng đợi lối vào ưu tiên kênh ảo Input Queuing VCT Virtual Cut Through Cơ chế xuyên cắt ảo VOQ Virtual Output Queuing Hàng đợi lối ảo WF algo- West First algorithm Giải thuật định tuyến phía Tây rithm WH trước Wormhole Cơ chế Wormhole vi Danh sách bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm bus mạng chip [25] 2.1 Bảng tóm tắt cơng trình mạng chip tái cấu hình 60 3.1 Bảng trạng thái hoạt động cổng vào cổng 90 3.2 Bảng so sánh kết thực thi định tuyến RNoC số cơng trình khác 93 4.1 Thông số mạng chip mô đánh giá 104 4.2 Thông số mạng chip tái cấu hình mơ đánh giá109 4.3 Tài nguyên truyền thông định tuyến 114 vii BQ T}IONG TIN VA TRUYEN THONG Hec vrSN cONc NGHE, xA ugt cHU Ncnia \{I.Dr NAM DOc lOp - TrI - H+nh phf c co NG HoA srlu cninu nnN rnONc nAx NHAN XET LUAN AN TIEN Si T€n d0 tdi lu4n 6n: Gi6i ph6p m?ng trOn chip t6i cAu hinh cho cic thiing phric hqp LG Vin Thanh Vfi Kf thu$t EiQn tfr sinh: Chuy€n ngdnh: H9 t6nngudi nhfln x6t Cua nghiOn ciru hQ Md s6; 62.52.02.03 Nguy6n Nggc Minh Hqc Hgc hAm: vi: Ti6n s! ngdnh: Di€n ta Wdn th6ng Chric danh tong HQi d6ng: Uj,iAn phdn btQn Khoa KT Di€ntir I, Hpc vi€n CI{ Btru chinh ViSn th6ng Co quan c6ng tac: Ern ail: minhnn@p tit edu 0912 824193 EiQn thoai 1i6n hQ: Chuy0n I\QI DTNG NHAN XET Tinh cdp thi€t, thdi sqt, y nghia khoa hpc vd thtgc tiSn cua di tdi: Trong cac hq th6ng IC hiQn nay, viQc tuy6n dft liQu gita cac phAn chu yliu su dpng ki6n nric bus Kitin tric bus dcrn gi6n nhung c6 nhi6u han cht5 Do d6, viQc nghiOn cuu c6c md hinh roy0tt th6ng m6i c6 tinh cAp ttrl€t, tintr thoi sg Tiong c6c m6 hinh tuyCn thdng m6i t€n chip, hQ th6ng mAng tr6n chip (NOC) co thti gi6i quyet chc vdn d0 cua ki6n firc myAn thdng M6 hinh NOC c6 thO grirp tdng hiQu qu6 ho4t dQng, ngohi cdn giirp tich hqp nhiCu IP trOn mQt hQ thdng Md hinh ndy dang dugc quan tAm nghiOn ciru rQng rdi NCS de tap fung vdo viQc dO xu6t glai ph6p tai cduhinh cho c6c kith firc fuy0n th6ng m?ng ft6n chip Nghi€n ciru ndy c6 j'nghTa khoa hoc, c6 thO glup nguoi thi6t k0 xdy fimg c6c ki6n tirc mQt cach mOm deo, linh hopt DC tAi nghien cuu cflng c6 ttr6 6p dung tong cac ttritit tc ne th6ng Noc Tiong SU 1u4n 6n ndy, kh6ng tritng tfrp cila di tdt nghiin c*u so voi c6ng trinh, tu€ln dn dd c6ng b6 o vd ngodi naoc; tinh trung thqrc, rd rdng vd dAy tham khdo: ffi ffong tr{ch ddn tdi hAu Sau l*ri tim hitiu cac k6t qu6 nghi€n criu 1i6n quan d5 dugc cdng bti rQng rdi kong vd ngodi nu6c, t€n c6c fang web vd c6c tdi liQu chuy6n ngdnh, tinh dOn ttroi ^.A di6m ndy ffong gi6i hAn thcri gian cho ph6p, t6i nhfln thAy dC tai vd nQi dung lufli 6n kh6ng tung lflp v6i c6c c6ng trinh vi lupn an dd c6ng UO O Viet Nam vd fOn ,4 me glor C6c k6t qu6 cua lupn an cfing dd dugc peer review t]r6ng qua chc k6t qui cdng t6n cac hQi th6o, tpp bt5 chi qu6c t6 M*c d0 tdng quan cdc vdn ry nAn cila di tdi: VA co bdrL lufln 6n titin s| ndy dd cung cdp duqc th6ng tin t6ng quan vd circ vln mytrn th6ng tOn chip vd m6 hinh m4ng tr6n ctrip NCS cflng dd dC xuat dugc c6c giai ph6p cflp nhAt ft6ng tin dinh toy0" cho mang trOn chfp tai eC UCn quan d6n c6u hinh vd ph6t v6nd6 4, Sw lf ti0n mQt ki6n tric b9 dinh tuy6n c6 kh6 ndng tai cAu hinh C6c luan t4p fung vdo tdng quan c[ra nQi dung phit hqp gt;ra t€n di tdi vdi nQi dung, AC Ai giira nQi dung voi chotyhn ngdnh vd md ,!, so chuyennganh: NQi dung luqn 6n hoan todn phuhqp v6i t6n eA tai pA tX nghiOn cuu vd cac nQi dung trinh bdy lupn 6n phu hqp vdi chuy0n ngdnh vd md s6 chuy6n nganh dao tao E0 tin cW vdtinh hi€n dqi cfiaphuong phdp dd s* dung dA nghiAn ctru: Nghi6n ciru sinh LC Vdn Thanh Vfl da su dpng phuong ph6p nghidn cr?u chir y6u dlra trOn vi6c su dgng cac phucrng ph6p mO ph6ng t6t nqp v6i c6c cdng cr; chuy0n dung ttrl6t tC V0 co bdq phuong ph6p nghiOn criu ndy co d0 tin cpy vd phn hqp voi di€u kiQn nghiOn ciru hiQn Viqt Nam D0 tin c6y cria phucrng phSp ndy phu thuQc vdo dQ chffi xdc ctra cac c6ng cu md ph6ng C6c cdng cu NCS sri dqrng ld c6c c6ng cp chuy€n dgng c6ng nghiQp, d6 c6 dQ tin cpy cao K€t qud nghi\n cru mbi ctia nc gtd; d6ng g6p mdi cho srg phdt tri€n khoa hoc chuy€n ngdnh; dong gop m6i phwc vq sdn xudt, kinh td, xd hQi, an ninh, qu6c :, phdng vd ddi s6ng; !, nghia khoa hpc, gtd tri vd d0 tin cQy cila cdc k€t qud d6: Nghi6n ciru sinh di nghiOn cuu dd xu6t dugc grai ph6p cflp nhflt thdng tin dinh tuy6n cho mpng tr6n chip tu cfu hinh c6 klrd ndng t.u thich irng v6i cac ttray d6i c6u hinh c6 b9 dinh tuy6n rdi kh6i m?ng Ngodi NCS cfing dd ph6t tiOn dugc mQt kiOn tric b0 dinh tuy6n c6 khd tfing t|i c6u hinh cho viQc thqc thi giai ph6p o f6n Nhin chung, cac kdt qui nghidn criu mdi cria lu4n 6n c6 y nghia khoa hgc vd y nghi thgc ti6n cao Uu, nhuqc di6m a vi nQi dung, fet cauvd hinh thuc cila ludn dn: Lu{n 6n dugc tinh bdy dgp vd it 16i sopn ttr6o vdn bhn Chc hinh minh hoa dugc vE 16 rdng vd dE dqc b c Lupn an ld mQt tdi liQu tham kfiao ti6ng ViQt tOt vA mang tr0n chip MOt sd v6n d0 v0 nQi dung cdn ldrn 16: o Trong lupn 6n ndy, NCS tfridt nC mAng tOn chip v6i kich thu6c 4x4 (t 101), sau d6 phAn md phong t 109, NCS su dlmg c6u trrrc mpng 5x5 NCS cAn hm 16 t4i l4i chon c6c kich thu6c mqng niy o NCS c6n ldm 16 hcvn vC vigc so s6nh c6c k6t qui cua NCS v6i c6c k6t qui kh6c cr chucrng o d ttit tuan cdn chung chung vd rulm rd MOt s6,r6tt ee nrac n6n chinh sua: o o Phdn Chinh sria cdc nQi dung nhu t€n Phdn kdt lu an n6n vi6t 13i, tpp trung vdo ktit qu6 cria luqn 5n NQi dung luQn dn dd daqc c6ng bd ff€n tqp ch{ vd gtd.tri khoa hoc cfia cdc c6ng trinh dd c6ng b6: Nghi6n cr?u sinh L€ VEn Thanh Vt de c6ng b6 07 bei b6o lhoa hgc tong d6 co 02 bdi t.€n tqp chi vd 05 b6o c6o I