3D片上网络结合了3D集成技术与片上网络的优势，能够缩短芯片内部的物理连线、降低时延、提高吞吐、减少功耗与面积开销，还能在不增加设计复杂度的前提下将多种工艺集成在一块芯片上，满足芯片功能多样化的发展趋势。然而3D片上网络在带来巨大优势的同时也需要面对新的挑战。TSV技术的不成熟与高热量密度使得在拓扑结构与路由算法的设计过程中需要更多的考虑成品率与散热问题。因此本文的研究重点为如何在满足性能需求的同时实现具有较低TSV密度的3D拓扑结构以及设计能够实现热量均衡的3D路由算法。本文首先总结了片上网络的发展现状，并对3D片上网络中引入的新问题进行了分析。然后对比了3D片上网络层间通信采用总线以及点到点链路的优缺点，并利用OPNET软件开发了3D片上网络仿真平台对两者的性能仿真，总结出了两种层间通信方式适用的应用场景。接着基于层间通信方式分析得到的结论，选择点到点链路实现3D通用处理器的层间通信，并针对TSV成品率较低的问题设计了一种共享垂直链路的3D拓扑结构。该拓扑结构能够在满足网络性能需求的同时将芯片中的TSV数目减少75%，大幅提高了芯片的成品率并减少了芯片的面积与功耗开销。然后，针对垂直堆叠导致3D结构热量密度过高的问题，设计了一种能够实现热量均衡的无死锁3D路由算法以降低芯片的峰值温度。该算法将流量按照从底层到高层递减的方式分布，有效的缓解了由于芯片中不同层导热能力差异引起的高温现象，减缓了芯片的老化速率，延长了芯片的使用寿命。最后通过仿真平台验证了所提方案中的可行性，仿真结果显示本文提出的拓扑结构以及路由算法在芯片成品率、面积、功耗以及热量分布等方面具有明显的优势。