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班学号：20100000000

姓名：xxx

入学时间：2013.9

学位论文题目

   xxxxx设计与研究

学位论文的课题来源：      1.纵向             2.横向             3.自拟

学位论文类型：    1.基础研究         2.应用基础研究           3.应用研究

学位论文研究内容

本论文的研究内容将紧紧围绕NoC的容错体系构架为重点。研究内容归纳为以下三方面。

内容一：基于2D Mesh结构片上网络（NoC）容错体系构架研究

随着集成电路工艺的进步, 多核以及众核体系结构成为提升系统性能功耗比的有效解决方案, 然而由于芯片特征尺寸的不断减小, 芯片内发生故障的概率显著增加。为了提供可靠的片上通信, 本论文旨在设计一种低成本的容错体系构架的方案。

内容二：考虑服务质量（QoS）的容错机制设计

服务质量被定义为网络提供给IP核需要的服务数量,因此它包含两方面内容:1)定义了某一数量的服务；2)服务协商。服务应该具有高吞吐量、低延迟、低功耗等特点。协商是指在IP核需求的服务与网络提供的现有服务之间实现平衡。服务质量分为两种基本类型:保证服务(GS)和尽最大努力服务(BE)。

  该研究内容可细化为：

 （1）在保证服务（GS）情况下进行容错体系再设计

（2）尽最大努力服务（BE）容错体系的初步研究

内容三：片上网络（NoC）容错体系构架在OPNET软件上的仿真与测试

OPNET Modeler作为一种主流网络仿真软件，为通信网络和分布式系统的建模建立仿真开发环境。OPNET通过离散事件仿真来分析各种模拟系统的行为和性能。OPNET Modeler对通信系统的体系结构和协议进行了精心设计，为相关应用提供了广泛的支持。本论文将OPNET运用于片上拓扑结构的设计，注入各种硬错误与软错误并进行建模和仿真，从而很好地预测片上网络容错体系构架的功耗、容错能力、延时能力等，进而验证实际的片上网络容错体系构架法方案的有效性。

随着深亚微米超大规模集成电路(IC)工艺技术的成熟和发展，芯片功能以及性能需求越来越高，开发周期越来越长，质量越来越难以控制，成本也越来越高。于是IC设计者将越来越复杂的功能集成到单一硅片上来，使得这一芯片上能实现复杂的功能，这时出现了片上系统（system on chip，SoC）。然而由于SoC的总线结构在扩展性、功耗、可靠性等方面都存在着局限性，替代SoC的片上网络（Network on chip, NoC）应运而生。
  自2000年首次提出NoC的概念以来，国内外越来越多的研究机构和研究者意识到NoC的发展潜力，纷纷投入到其中并推动着它的发展，这使得NoC成为一个十分活跃的学术前沿。国外的研究机构从体系结构、物理布线的时钟策略、可测性分析、通信路由策略等诸多方面对片上网络进行了系统的研究，并取得了一定的成果。目前国外在NoC的研究中影响较大的有瑞典的皇家技术学院、美国的斯坦福大学、MIT和荷兰的飞利浦实验室等。

   2000年，法国的Pierre Guerrier等人提出可升级、可编程的集成网络(Scalable Programmable Integrated Network，SPIN)，将并行计算(Parallel Computer)中的分组交换(Packet Switched)的方法引入到系统芯片内，以实现数据通讯，并且建立了周期精确的路由器性能模型。

2003年，荷兰飞利浦实验室的K.Goossens 等人开始研究“Network on Silicon”，重点是片上互连网络所能提供的服务质量。

2005年IEEE Transactions on Parallel and Distributed System组织了名为“On Chip Networks”的专题，会议就设计方法、拓扑结构、前沿技术、相关算法、嵌入式系统、专用电路、应用程序接口，以及可靠性与可重构等问题展开了一系列的讨论。

2006年韩国Kangmin Lee等人提出行之有效的NoC低功耗、GALS技术，并成功地把采用这些技术的NoC芯片进行流片。

   2008年，Intel公司成功研制出使用NoC技术的集成有80个核的芯片，成为第一块性能超过1.0 Tera FLOPS的芯片。

对NoC容错机制方面，许多容错控制技术和可靠性设计技术都是对特定拓扑结构(例如Mesh 结构，Torus 结构，Spidergon 结构，SPIN 结构等) 提出的，如冗余随机前行路由算法、提高NOC的冗余度、具有服务质量QoS等级的错误控制技术。而针对如何提高容错体系的可扩展性和适应性、改善平均时延、归一化吞吐、自适应、死锁等基本性能以及负载均衡、能耗等其它方面，以解决容错机制等相关问题的研究少有报道。设计一个基于复杂因素的性能分析、仿真平台，来解决容错机制等相关问题，是今后的一个研究方向。

    国内对于NoC的研究起步略晚于国外。目前国内的研究单位主要有合肥工业大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、西北工业大学等。主要研究领域包括流量分析、拓扑结构、路由算法、通信协议、低功耗和网络时钟等方面。

   国内主要的研究工作有：

  以高明伦、杜高明等人为代表的合肥工业大学NoC研究团队。该团队在NoC领域的研究较为广泛，不仅在NoC设计的基础理论方面做了理论总结，而且在映射、片上路由、通信模式、功耗模型等方向均有涉猎。该团队致力于 NoC模型芯片的研发，设计出了具有8核的NoC芯片原型。

  以周文彪，毛志刚等人为代表的哈尔滨工业大学的NoC研究团队。该团队侧重于NoC设计中片上网络通信中的相关问题研究，如路由选择、通信功耗、数据传输质量和可靠性等。中国科学院微电子研究所的岳培培、陈杰、刘建等，对NoC系统中的网络接口，以及路由器设计做了比较深入的研究，提出了一系列设计方案。

  电子科技大学也有若干团队正在研究 NoC 的相关技术。其研究的方向主要集中在路由算法、路由器缓冲区分配策略、低功耗及差错控制编码技术、片上网络路由器设计、映射算法、应用的通信业务模型分析等方面，并且都取得了相应的成果。不仅如此，有团队还搭建起了用于测试的硬件平台
  当前，国内在片上网络容错体系的研究上比较分散，对于各种拓扑结构皆有涉猎，也取得了一定的成果。然而基于各种原因，在国内片上网络容错体系构架研究的文献中，对于容错体系的深入研究成果相对模糊，在实验仿真选择和效果方面的成果甚少。这对于深入研究片上网络容错体系构架具有很大的局限性。

作为一个新兴的集成电路技术领域，NoC研究正方兴未艾。支持NoC相关技术的研究工作是保持与国际前沿同步发展的必要保障。从这个层面上看，NoC的出现无疑为中国集成电路设计方法学的继续发展又提供了一次很好的机遇。而片上网络容错体系构架作为提高NoC通信系统可靠性研究的重中之重，其重要性不言而喻。在当前容错体系在国内的相关研究少之又少的情况下，该领域研究工作的迫切性便突显出来。

主要参考文献：

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[33] 李旺远,王长山.Mesh跳步容错路由算法[J],计算机与现代化,2010,175(4):39-42

[34] 胥大成,樊建席,张书奎.基于2D-Mesh的容错路由算法[J],计算机科学，2012年3期，Vol 19,No.3,pp 113-117,134

研究目标有两个：

第一，分析片上网络（NoC）体系结构、故障类型和一般的容错方法，提出一种改进型的容错体系构架，设计实现并验证。片上网络（NoC）根据拓扑结构不同运用不同的容错体系，本论文主要在于对Mesh结构进行深入研究，并同时对ToruS拓扑结构，Octagon结构等片上网络（NoC）结构进行一定的研究。

第二，针对片上网络（NoC）的2D Mesh结构，在保证服务质量（QoS）的情况下，在现有容错体系的基础上，研究出在功耗、容错能力、延迟等各个性能上达到平衡的容错机制；并最终能够在OPNET软件上进行仿真验证。

以下对论文研究内容和关键技术，从三个方面对有关方法、技术路线、实验手段和关键技术作出简要阐述。其它方面在研究中探索和完善。

1．基于2D Mesh结构的片上网络（NoC）容错体系构架研究

本论文重点关注的是NoC可重构容错体系构架的设计，因此容错技术、拓扑结构和死锁技术是容错体系构架设计的关键。容错技术能在系统出现故障的情况下有效保障系统的可靠性；拓扑结构决定了NoC的物理布局和单元配置；而无死锁技术保证了在NoC路由过程中不会出现资源相互等待的现象，从而提高资源利用率和网络吞吐。这些技术决定了容错体系的性能，成为容错体系构架设计性能评价的重要参数。

鉴于NoC网络存储空间少，片上线路资源丰富、面积和能耗的约束，本论文选择虫孔交换机制。
2．考虑服务质量（QoS）的容错体系构架设计

在实时应用中，NoC需要支持服务质量来保证其性能。服务质量通过保证用户的系统行为来进行量化，这种保证意味着延时、抖动或吞吐量等方面的系统性能将保持在高于临界的值。为了在有限的资源内提供服务质量，服务提供者与用户将进行协商以达成一致，由服务提供者完成用户提出的要求。如果做出承诺，这种服务称为保证服务（GS），否则，被称为尽力服务（BE）。 本论文主要研究在保证服务（GS）情况下，通过时延、吞吐量和抖动等性能进行衡量，以达到较好地考虑QoS的容错构架。时延指数据包产生时间与数据包到达目的节点被注出网络的时间之间的差值，与数据包大小和带宽等有关。而吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，设备能够接受并转发的最大数据速率。抖动，是指业务中两个连续的数据包时延的差值。时延越小、抖动越小、吞吐量越大，QoS容错体系构架的性能越好。

3．片上网络（NoC）容错体系在OPNET软件上的仿真与测试

OPNET是一种主流网络仿真软件，其中，OPNET Modeler是其核心部分，其功能强大，接口友好。OPNET仿真环境包括进程、结点和网络三个层次的建模机制，反映了网络的相关特性，并且其丰富的统计量收集和分析功能，能够方便地得出仿真结果进而进行分析。 目前，国际上有研究者将OPNET用于NoC的仿真、验证。本论文也将利用OPNET Modeler提供的仿真环境，建立NoC的虚拟场景，描述其网络行为。在该仿真平台下用户可以定制拓扑结构、路由规则及仿真所需的各种参数达到仿真效果，进而通过仿真验证我们提出的NoC的各种机制，以实现NoC的仿真与测试。

  针对NoC的特性，本论文将利用OPNET平台完成路由节点的设计，对节点构造进行分析，并在此基础上构建一个基于虫孔交换机制、分组长度采用确定形式分布SP的4x4 2D-Mesh网络，分别对均匀流量模式和热点模式下的NoC容错体系构架进行仿真，并对仿真结果进行分析测试。同时在相同条件下，与其他的容错体系构架进行比较分析。

2.实验条件落实情况，可能存在的问题及解决办法

通过图书馆借阅资料学习片上网络，OPNET。深入研究片上网络容错体系构架。并进行软件仿真验证。采用OPNET对设计进行软件仿真。

 3.年度研究计划及预期研究成果

年

度

计

划

起始时间

完  成  内  容

2012.9-2012.12

查阅资料，阅读相关文献，确定研究内容

2013.1-2013.4

2D Mesh可重构容错体系初步设计

2013.5-2013.8

加入保证服务（GS）的片上网络容错体系设计

2013.9-2013.12

在OPNET软件上演示、验证系统

2014.1-2014.3

整理研究资料和成果，撰写论文

学位

论文

特色

或

创新

创新点一：提出一种保证服务质量（QoS）的片上网络（NoC）容错机制

  在深亚微米和纳米工艺条件下,NoC的容错通信机制已是不可或缺的一个重要方面。导致片上传输不可靠的因素主要有两方面:一是由电转移、制作工艺和测试挑战等引起的加速老化效应导致的永久性错误；二是由串扰、噪声耦合和瞬间错误引起的软故障。由于功耗和芯片面积的限制,传统的容错体系构架已不再适合NoC，现有的一些容错体系构架在QoS上关注度一般，所以研究必须有专门保证QoS的NoC容错机制是非常前沿的。本论文将致力于研究一种新的保证QoS的片上网络（NoC）容错机制。

创新点二：研究出在功耗、容错能力、延迟等各个性能上达到平衡的容错体系构架

  容错体系构架的目的是为了避免死锁和活锁,尽可能地发挥网络的最佳性能。Mesh结构容错体系的设计相对比较简单,而Torus结构中存在环绕信道,引入了很多环路,无法简单地采用与Mesh结构中相类似的方法,需要进行一定的改进。在目前的研究中通常是采用引入虚信道或虚网络的方法,而虚信道的引入增加了很多附加的资源消耗率,虚网络的引入增加了节点在仲裁和判断时的开销,使得路由节点更复杂。本论文的目的在于研究提出功耗、容错能力、延迟等各个性能达到平衡的容错体系。

最终

成果

形式

理论研究与软件仿真

1.导师对学位论文选题和论文计划可行性意见，是否同意开题：

                                        签名：                年    月    日

2.评审专家意见

开 题

报告会

时间：          年    月    日

地点：

评审专家（至少3位）：

评审专家组对学位论文的选题、方案实施的可行性，是否通过开题报告的具体意见和建议：

                                      组长签名：                  年    月    日

3.学院意见：

                                     负责人签名：                  年    月    日