[發明專利]依據3D NoC中每一層TSV連接狀況建立通道表的方法及其應用

在審

• 申請號: 201410810372.0
• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN104539533A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 王偉;李潤豐;方芳;陳田;周夢玲;劉軍
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H04L12/721
• 分類號: H04L12/721;H04L12/801
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及一種3D?NoC路由算法，更具體地說是一種用于異構3D?NoC結構，具有對失效TSV容錯和緩解上下通道擁堵作用的片上路由算法。

背景技術

3D?NoC(Three-Dimension?Network-on-Chip)是一種通過硅直通孔(TSV)互連多層晶圓(die)而實現垂直集成的互連方式。它克服了2D-NoC中所有的元器件都在一個平面上分布的局限，從而獲得更小的體積、更好的功耗和射頻性能。3D-NoC通過垂直集成使芯片的集成度大幅度提高，被多數專家認為是一種延續摩爾定律增長趨勢的新方法，成為當前半導體產業發展最快的技術之一。

常見的3D?NoC拓撲結構有3D?Mesh、3D?Torus、三維堆疊Mesh等，其中被眾多學者廣泛研究的結構是3D?Mesh。傳統的3D?Mesh結構是一種由規則的2D?NoC通過上下堆疊而成的規則的3D網絡結構，每一層間通過TSV實現層間通信。這些TSV實際上就是在晶圓與晶圓之間制造一系列的垂直導通，用來實現芯片間的互連。一個TSV就代表一條在垂直方向上用來傳輸信號的數據鏈路。

傳統的3D?NoC片上路由器是通過擴展2D片上路由器而實現的，在原有2D片上路由器東、西、南、北和本地5對輸入輸出端口的基礎上，增加上、下兩對端口來實現垂直方向的層間通信。其中的路由算法也是通過擴展傳統的2D?NoC中的路由算法來實現數據的傳輸，例如擴展傳統的X-Y維序路由算法為X-Y-Z路由算法，即先將數據包在層內傳輸到與目的節點同一垂直位置的中間節點，然后再通過TSV垂直傳輸到目的節點。而如今的工業設計上，通常將實現不同功能的模塊放在3D芯片的不同層上，例如最上一層放置CPU核，中間層放置RAM和ROM，底層放置通信模塊。這樣的設計很難做到每一層上的網絡節點布局一致，從而導致某些路由節點有向上或向下的通道，即有TSV相連，而某些節點則沒有垂直方向通道。這樣的結構就很難使用傳統的3D路由算法來達到傳輸數據包的目的。

如今，芯片制造工藝進入65納米級以下，制造工藝越來越復雜，制造難度越來越大。TSV的尺寸只有10微米左右，而目前TSV制造技術還不夠成熟，制造成本高，且極易在制造過程中出現空洞、斷裂、誤對齊等情況而造成TSV失效。一個65nm?CMOS工藝加工技術制造的硅芯片，46％-65％的成本開銷都用在了TSV的加工上。因此，TSV的數量應該盡可能少，并需要片上路由算法有對TSV失效進行故障修復的功能。

因此，需要一種3D?NoC路由算法，以解決在不規則3D?NoC結構中的通信問題，同時又要具備良好的TSV容錯和緩解擁堵的功能。

片上路由算法的設計是要在吞吐率、延遲、功耗等幾大性能指標中找一個最佳的平衡點。國內外的眾多學者也對3D?NoC路由器及路由算法有過很多研究。這些研究主要集中在如下幾點：

1、一種用于大規模3D?NoC芯片的分層路由器，是由兩個完全分離的模塊組成，一個是5*5的片上路由器，用于層內通信，另一個是4*4的片上路由器用于層間通信，從而在大規模3D?NoC結構中獲得更好的吞吐率和延遲，且該方法可以較好的應用于異構的3D?NoC中，但是不適用于小規模的3D?NoC結構，不能應對部分TSV失效的情況，也不具有緩解擁堵的功能。

2、使用一種電梯優先路由算法來解決減少TSV的異構3D?NoC結構中的通信問題，該算法通過給每個網絡節點分配一個具有向上和向下TSV的電梯節點，從而實現層間通信，但是沒有考慮部分TSV出現故障的容錯處理。

3、通過為片上路由器增加一個輸入端口的方法來處理TSV故障和輸入端口，并具有擁塞感知功能，但是該方法不適用于異構3D?NoC。

4、前瞻性路由算法，將當前節點的路由選擇計算提前到上一個路由器進行，從而使路由計算和交叉開關選擇兩步并行，從而提高路由器吞吐率，但是這個改進的方法并不適用于異構的3D?NoC。

發明內容