片上互连网络负责实现众多处理器核间、众多处理器核与大量片上存储体间的通信互连,是高性能微处理器的枢纽与核心,其体系结构决定着高性能微处理器的整体性能。传统的电互连网络体系结构存在带宽低、延迟大、功耗高等缺点,已经成为制约高性能微处理器性能提高的瓶颈之一。尤其是在功耗方面,随着互连网络规模的扩大,片上互连网络所需要的功耗已经占据高性能微处理器功耗的很大一个方面。研究低功耗片上网络,可以充分利用相关技术,实现互连网络以及微处理器的高效、节能,具有十分重要的意义。文章主要针对如何利用光互连技术、积压上界的分析技术以及低功耗电路技术等进行低功耗片上网络的设计展开深入研究。主要研究内容可分为以下四个方面:(1)基于蝶型结构的层次式低功耗片上光网络研究随着硅基光互连相关技术的发展,片上光网络已经成为低功耗网络设计中的重点研究方向。相比于传统的电互连网络,片上光网络通过利用光学传输链路,可以在数据传输过程中节省大量能量。但是,在光互连网络中,数据传输方式与电互连网络存在极大的差异。数据报文首先需要经过光学调制后,才能变成光信号在在波导中进行传播。传播过程中,光信号既不能被直接缓存、更不能被解读。如何能够利用光互连网络的特性成为片上光网络设计所面临的巨大挑战。目前提出的片上光网络结构都需要利用大量的光学器件来搭建网络基础设施,势必会带来光学损耗高、光学传输功耗高、面积开销大等问题。针对这些问题,本文提出了一种层次式的基于蝶型网络的片上光网络——HBPNo C。HBPNo C采用一种层次式的结构:在核簇内部采用报文交换方式,在核簇间通信采用光路交换方式。簇间通信利用一个高可扩展的光网络(BPNo C)进行数据传输。BPNo C可以实现高可扩展性的原因包含两个方面。首先,与以前的片上光网络中路由器的构建方式不同,BPNo C只使用一个基本的的的光开关元件(PS E2x2),来建立混合路由器。其次,蝴蝶网络和光开关单元PS E2x2都是单向的。因此,把PSE2x2应用到到蝶型光网络中可以有效节约光学资源、减少面积占用、提高网络的能量效率。BPNo C是一个双层网络,包含光学子网络和电学子网络。光学子网络采用负载平衡路由算法,使用基于连接的交换方式来传输数据包,而电学子网络利用改进转弯算法进行控制报文和数据报文的分组交换。为了提高光学资源的利用效率,HBPNo C在BPNo C网络的基础上,综合利用光传输技术和电传输技术来改善片上网络的性能。HBPNo C网络的最大特点在于,为了提高网络性能和降低系统功耗,对于簇内短距离通信,网络利用局部的电交换结构直接转发核簇内消息到它们的目的地;只有对于长距离、数据大的通信,网络才利用光互连技术进行传输。实验结果表明,HBPNo C片上光网络能够保证高能源效率、低光学损耗以及低延迟、高吞吐率的通信性能。(2)软件定义的低功耗片上片上光网络设计研究片上光网络为实现低功耗网络设计提供了很好的平台。相比于传统的电互连网络,片上光网络通过利用光学传输链路,可以在数据传输过程中节省大量能量。但是,目前已经提出的主动式片上光网络结构都采用一种分布式的方法来建立光学路径,每个光交换单元都需要一个电路由器来配合工作。这就导致片上光网络资源利用率低、能量消耗高等问题。针对这些问题,本文提出了一个软件定义的片上光网络(SD-PNOC)。它使用软件定义网络(SDN)的思想来提高片上光网络中光资源的利用效率。软件定义片上光网络拥有两个功能平面——一个集中式的控制平面和其所控制的一个交换平面。SD-PNo C利用集中式的控制平面来处理路径建立过程。该平面仅仅是由网关和一个集中控制器组成,从而实现利用集中控制来代替分布式的方法。数据交换平面由光交换单元构成,用于完成数据的转发或交换功能。实验结果表明SD-PNo C网络拥有较高的能量效率和较低的传输延迟。(3)片上网络最差积压上界的分析方法研究在主流的电互连片上网络中,路由器中的缓冲区所消耗的能量占据网络总能耗的很大一部分。如何在保证系统性能的情况下减少缓冲区大小就成为低功耗片上网络设计的一大挑战。分析路由器最差积压上界可以为设计过程中缓冲区大小的确定提供很好的理论支持。文章提出了基于有向竞争图(Di GB)的方法来分析最差积压上界。首先,本文分析了简单场景下如何利用网络演算中的到达曲线和服务曲线来推导积压上界。然后,对于复杂情形,文章构造一个有向竞争图(DCG)来帮助分析数据流之间的关系。进一步,通过使用广度优先搜索策略遍历DCG,Di GB方法把复杂情形分解为基本情形。这样,利用基本情形下的模型就可以完成所有路由器的积压上界推导过程。本章以并行处理中经常出现的聚合通信为例,详细描述了最差积压上界推导的过程。最后,通过对4×4和8×8网络中的最大积压结果与Di GB方法推导的最差积压上界进行比较,文章证明了Di GB方法所获结果的正确性与紧致性。(4)电压频率岛感知的低功耗片上网络研究在片上网络中,功耗已经成为一个重要的设计约束。虽然光互连技术以及3D技术等为片上网络的发展提供了新的契机,传统的电互连网络仍然需要发挥很大的作用。如何通过一些低功耗技术,如动态电压/频率缩放技术等,来降低片上网络的功耗是目前研究的一个热点问题。针对该问题,本文提出了一种基于网络演算的高效能(PNC)片上网络设计方法,在满足延迟需求的情况下,尽量减少网络的能量消耗。首先,文章提出了一个网络演算为基础的方法来分析No C中每个通信流在最坏情况下的延迟。基于网络报文在不超过延迟界限时能够经受的进一步延迟时间(也叫延迟空缺),我们的PNC方法利用电源闸控技术来减少处于工作状态的缓冲单元,并且利用电压频率调节技术来降低电压频率岛的电压-频率。通过减少工作状态的缓冲单元和降低路由器的电压和频率,片上网络的功耗得以降低。实验结果表明,我们的PNC方法可以节省至多达69%的网络总功耗。综上所述,本文主要针对光互连技术、积压上界的分析技术以及低功耗电路技术等设计低功耗片上网络展开深入研究展开了深入研究。本文的研究为低功耗片上网络的设计提供了很好的方法,具有一定的理论意义和应用价值。