Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICRecent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable. The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved. This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips. The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclisAward-winningPostprint (published version

Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICRecent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable. The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved. This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips. The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclisAward-winningPostprint (published version

CROSS-LAYER DESIGN, OPTIMIZATION AND PROTOTYPING OF NoCs FOR THE NEXT GENERATION OF HOMOGENEOUS MANY-CORE SYSTEMS

This thesis provides a whole set of design methods to enable and manage the runtime heterogeneity of features-rich industry-ready Tile-Based Networkon- Chips at different abstraction layers (Architecture Design, Network Assembling, Testing of NoC, Runtime Operation). The key idea is to maintain the functionalities of the original layers, and to improve the performance of architectures by allowing, joint optimization and layer coordinations. In general purpose systems, we address the microarchitectural challenges by codesigning and co-optimizing feature-rich architectures. In application-specific NoCs, we emphasize the event notification, so that the platform is continuously under control. At the network assembly level, this thesis proposes a Hold Time Robustness technique, to tackle the hold time issue in synchronous NoCs. At the network architectural level, the choice of a suitable synchronization paradigm requires a boost of synthesis flow as well as the coexistence with the DVFS. On one hand this implies the coexistence of mesochronous synchronizers in the network with dual-clock FIFOs at network boundaries. On the other hand, dual-clock FIFOs may be placed across inter-switch links hence removing the need for mesochronous synchronizers. This thesis will study the implications of the above approaches both on the design flow and on the performance and power quality metrics of the network. Once the manycore system is composed together, the issue of testing it arises. This thesis takes on this challenge and engineers various testing infrastructures. At the upper abstraction layer, the thesis addresses the issue of managing the fully operational system and proposes a congestion management technique named HACS. Moreover, some of the ideas of this thesis will undergo an FPGA prototyping. Finally, we provide some features for emerging technology by characterizing the power consumption of Optical NoC Interfaces

Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip

Tesis por compendioNowadays, thanks to the continuous improvements in the integration scale, more and more cores are added on the same chip, leading to higher system performance. In order to interconnect all nodes, a network-on-chip (NoC) is used, which is in charge of delivering data between cores. However, increasing the number of cores leads to a significant power consumption increase, leading the NoC to be one of the most expensive components in terms of power. Because of this, during the last years, several mechanisms have been proposed to address the NoC power consumption by means of DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) and power-gating strategies. Nevertheless, improvements achieved by these mechanisms are achieved, to a greater or lesser extent, at the cost of system performance, potentially increasing the risk of saturating the network by forming congested points which, in turn, compromise the rest of the system functionality. One side effect is the creation of the "Head-of-Line blocking" effect where congested packets at the head of queues prevent other non-blocked packets from advancing. To address this issue, in this thesis, on one hand, we propose novel congestion control techniques in order to improve system performance by removing the "Head-of-Line" blocking effect. On the other hand, we propose combined solutions adapted to DVFS in order to achieve improvements in terms of performance and power. In addition to this, we propose a path-aware power-gating-based mechanism, which is capable of detecting the flows sharing buffer resources along data paths and perform to switch them off when not needed. With all these combined solutions we can significantly reduce the power consumption of the NoC when compared with state-of-the-art proposals.Hoy en día, gracias a las mejoras en la escala de integración cada vez se integran más y más núcleos en un mismo chip, mejorando así sus prestaciones. Para interconectar todos los nodos dentro del chip se emplea una red en chip (NoC, Network-on-Chip), la cual es la encargada de intercambiar información entre núcleos. No obstante, aumentar el número de núcleos en el chip también conlleva a su vez un importante incremento en el consumo de la NoC, haciendo que ésta se convierta en una de las partes más caras del chip en términos de consumo. Por ello, en los últimos años se han propuesto diversas técnicas de ahorro de energía orientadas a reducir el consumo de la NoC mediante el uso de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrategias basadas en "power-gating". Sin embargo, éstas mejoras de consumo normalmente se obtienen a costa de sacrificar, en mayor o menor medida, las prestaciones del sistema, aumentado potencialmente así el riesgo de saturar la red, generando puntos de congestión que, a su vez, comprometen el rendimiento del resto del sistema. Un efecto colateral es el "Head-of-Line blocking", mediante el que paquetes congestionados en la cabeza de la cola impiden que otros paquetes no congestionados avancen. Con el fin de solucionar este problema, en ésta tesis, en primer lugar, proponemos técnicas novedosas de control de congestión para incrementar el rendimiento del sistema mediante la eliminación del "Head-of-Line blocking", mientras que, por otra parte, proponemos soluciones combinadas adaptadas a DVFS con el fin de conseguir mejoras en términos de rendimiento y energía. Además, proponemos una técnica de "power-gating" orientada a rutas de datos, la cual es capaz de detectar flujos de datos compartiendo recursos a lo largo de rutas y apagar dichos recursos de forma dinámica cuando no son necesarios. Con todas éstas soluciones combinadas podemos reducir el consumo de energía de la NoC en comparación con otras técnicas presentes en el estado del arte.Hui en dia, gr\`acies a les millores en l'escala d'integraci\'o, cada vegada s'integren m\'es i m\'es nuclis en un mateix xip, la qual cosa millora les seues prestacions. Per tal d'interconectar tots els nodes dins el xip es fa \'us d'una Xarxa en Xip (NoC; Network-on-Chip), la qual \'es l'encarregada d'intercanviar informaci\'o entre els nuclis. No obstant aix\`o, incrementar el nombre de nuclis en el xip tamb\'e comporta un important augment en el consum de la NoC, la qual cosa fa que aquesta es convertisca en una de les parts m\'es costoses del xip en termes de consum. Per aix\`o, en els \'ultims anys s'han proposat diverses t\`ecniques d'estalvi d'energia orientades a reduir el consum de la NoC mitjançant l'\'us de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrat\`egies basades en ``power-gating''. Malgrat aix\`o, aquestes millores en les prestacions normalment s'obtenen a costa de sacrificar, en major o menor mesura, les prestacions del sistema i augmenta aix\'i el risc de saturar la xarxa al generar-se punts de congesti\'o, que al mateix temps, comprometen el rendiment de la resta del sistema. Un efecte col-lateral \'es el ``Head-of- Line blocking'', mitjançant el qual, els paquets congestionats al cap de la cua, impedixen que altres paquets no congestionats avancen. A fi de solucionar eixe problema, en aquesta tesi, en primer lloc, proposem noves t\`ecniques de control de congesti\'o amb l'objectiu d'incrementar el rendiment del sistema per mitj\`a de l'eliminaci\'o del ``Head-of- Line blocking'', i d'altra banda, proposem solucions combinades adaptades a DVFS amb la finalitat d'aconseguir millores en termes de rendiment i energia. A m\'es, proposem una t\`ecnica de ``power-gating'' orientada a rutes de dades, la qual \'es capa\c c de detectar fluxos de dades al compartir recursos al llarg de les rutes i apagar eixos recursos de forma din\`amica quan no s\'on necessaris. Amb totes aquestes solucions combinades podem reduir el consum d'energia de la NoC en comparaci\'o amb altres t\`ecniques presents en l'estat de l'art.Escamilla López, JV. (2017). Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90419TESISCompendi