片上互連網(wǎng)絡(luò)——多核／眾核處理器關(guān)鍵技術(shù)
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片上互連網(wǎng)絡(luò)（On-Chip Network）受到國內(nèi)外越來越多的關(guān)注，是多處理器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。
《片上互連網(wǎng)絡(luò)――多核／眾核處理器關(guān)鍵技術(shù)》由西安交通大學(xué)教授任鵬舉、夏天推薦引進并翻譯。本書內(nèi)容不僅翻譯得專業(yè)、規(guī)范、通俗易懂，同時還對原著書中不易理解的疑難部分內(nèi)容提供了注解和拓展。
《片上互連網(wǎng)絡(luò)――多核／眾核處理器關(guān)鍵技術(shù)》的目標讀者是熟悉計算機體系結(jié)構(gòu)基本概念，并且有興趣了解片上網(wǎng)絡(luò)的工程師和研究人員。本書旨在對片上網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中關(guān)鍵的概念進行梳理，既可用于片上互連網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)與參考，也可用于了解當前片上互連網(wǎng)絡(luò)最先進的研究工作。
內(nèi)容簡介
《片上互連網(wǎng)絡(luò)――多核／眾核處理器關(guān)鍵技術(shù)》旨在介紹片上路由器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中最重要的概念和技術(shù)細節(jié)，希望為讀者闡明基本概念，并明確片上網(wǎng)絡(luò)研究的趨勢和*新進展。本書共9章，首先介紹了多核架構(gòu)環(huán)境下的片上網(wǎng)絡(luò)，解釋了片上網(wǎng)絡(luò)如何適應(yīng)多核設(shè)計的整體系統(tǒng)架構(gòu)；然后介紹了各種拓撲成本及性能的權(quán)衡、路由算法、網(wǎng)絡(luò)中使用的流控制機制、路由器微體系結(jié)構(gòu)、建模和評估片上網(wǎng)絡(luò)的細節(jié)；接著介紹了一系列基于片上互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算架構(gòu)設(shè)計案例，并全面分析了前面章節(jié)介紹的各種技術(shù)是如何在實際部署中進行取舍和融合的；最后介紹了未來幾年在推動片上網(wǎng)絡(luò)研究探索中將面臨的關(guān)鍵技術(shù)和新領(lǐng)域。
《片上互連網(wǎng)絡(luò)――多核／眾核處理器關(guān)鍵技術(shù)》面向熟悉基本計算機體系結(jié)構(gòu)概念，并且對片上互連網(wǎng)絡(luò)感興趣的工程師和研究人員，可以作為他們理解片上網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識和了解片上網(wǎng)絡(luò)最先進研究的基礎(chǔ)參考資料。同時，本書既可以用于教授基本概念，又可以用于學(xué)習(xí)最先進的設(shè)計，對研究生和行業(yè)工程師都具有重要價值。
作者簡介
作者介紹
娜塔莉·恩賴特·杰格（Natalie Enright Jerger ）
多倫多大學(xué)電子計算機工程系教授，現(xiàn)任加拿大計算架構(gòu)領(lǐng)域首席科學(xué)家（Research Chair），多倫多大學(xué)“珀西-愛德華-哈特”特等教授，ACM杰出會員，IEEE高級會員。研究領(lǐng)域包括片上網(wǎng)絡(luò)、多核/眾核計算架構(gòu)、存儲架構(gòu)等。
圖沙·克里希納（Tushar Krishna ）
佐治亞理工大學(xué)電子計算機工程系助理教授，在計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的頂級會議和期刊發(fā)表論文40余篇，他引4000余次，其中多篇論文被選為最佳論文。他所開發(fā)的Garnet 2.0 片上網(wǎng)絡(luò)模擬器目前被全球百余個研究機構(gòu)使用。研究領(lǐng)域包括計算架構(gòu)、片上網(wǎng)絡(luò)、人工智能加速器等。
白俐翾（Li-shiuan Peh）
新加坡國立大學(xué)計算機科學(xué)系首席教授，IEEE Fellow，ACM杰出科學(xué)家，2011年入選IEEE MICRO名人堂，曾任普林斯頓大學(xué)副教授、麻省理工學(xué)院教授。研究領(lǐng)域包括片上網(wǎng)絡(luò)、多核計算架構(gòu)、移動無線系統(tǒng)等。
譯者介紹
任鵬舉，西安交通大學(xué)教授、人工智能與機器人研究所副所長，國jia級青年人才計劃入選者。分別于2004年和2012年獲得西安交通大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位，美國麻省理工學(xué)院計算機與人工智能實驗室聯(lián)合培養(yǎng)博士。研究方向為人工智能和計算機體系結(jié)構(gòu)。現(xiàn)任中國人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟AI芯片組秘書長。
夏天，畢業(yè)于法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（INSA de Rennes）并獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任西安交通大學(xué)人工智能學(xué)院助理教授，多年來一直從事計算機架構(gòu)和軟件系統(tǒng)的研究和教學(xué)，并曾參與多個商業(yè)操作系統(tǒng)和虛擬化平臺的研發(fā)。研究興趣廣泛，包括傳統(tǒng)和新型計算架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、操作系統(tǒng)技術(shù)和虛擬化技術(shù)等，對多處理器系統(tǒng)及其相關(guān)的片上互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著深刻的理解和豐富的工程實踐經(jīng)驗。
目錄
目 錄
第1章 導(dǎo)論 1
1.1 多核時代的出現(xiàn) 1
1.2 片上網(wǎng)絡(luò)和片外網(wǎng)絡(luò)的比較 3
1.3 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)：快速入門 4
1.3.1 片上網(wǎng)絡(luò)的演變 4
1.3.2 片上網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)建模塊 6
1.3.3 性能和成本 7
第2章 片上網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)接口 9
2.1 CMP系統(tǒng)中的共享存儲網(wǎng)絡(luò) 10
2.1.1 緩存一致性協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)性能的影響 12
2.1.2 緩存一致性協(xié)議對片上網(wǎng)絡(luò)的要求 15
2.1.3 協(xié)議級死鎖 16
2.1.4 多級緩存實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響 17
2.1.5 目錄基節(jié)點和內(nèi)存控制器的設(shè)計策略 22
2.1.6 未命中/事務(wù)狀態(tài)保持寄存器 24
2.1.7 前沿技術(shù)概述 27
2.2 消息傳遞機制 28
2.3 片上網(wǎng)絡(luò)接口標準 30
2.4 總結(jié) 33
第3章 拓撲 34
3.1 指標 34
3.1.1 與網(wǎng)絡(luò)流量無關(guān)的指標 35
3.1.2 與網(wǎng)絡(luò)流量相關(guān)的指標 36
3.2 直連拓撲：ring、mesh和torus 40
3.3 非直連拓撲：交叉開關(guān)、蝶形網(wǎng)絡(luò)、clos網(wǎng)絡(luò)和fat tree網(wǎng)絡(luò) 42
3.4 不規(guī)則拓撲 48
3.4.1 分解法與合并法 50
3.4.2 拓撲綜合算法示例 51
3.5 層級拓撲 52
3.6 實現(xiàn) 53
3.6.1 布局布線 53
3.6.2 抽象度量指標的含義 55
3.7 前沿技術(shù)概述 57
第4章 路由 59
4.1 路由算法的類型 59
4.2 避免死鎖 61
4.3 確定性維序路由 62
4.4 無關(guān)路由 63
4.5 自適應(yīng)路由 65
4.5.1 自適應(yīng)路由概述 65
4.5.2 自適應(yīng)轉(zhuǎn)向模型路由 67
4.6 多播路由 71
4.7 不規(guī)則拓撲中的路由 72
4.8 實現(xiàn) 73
4.8.1 源路由實現(xiàn) 74
4.8.2 基于節(jié)點查找表的路由實現(xiàn) 75
4.8.3 組合電路實現(xiàn) 77
4.8.4 自適應(yīng)路由實現(xiàn) 78
4.9 前沿技術(shù)概述 79
第5章 流控制 81
5.1 消息、數(shù)據(jù)包、flit和phit 81
5.2 基于消息的流控制 83
5.3 基于數(shù)據(jù)包的流控制 85
5.3.1 存儲轉(zhuǎn)發(fā)流控制 86
5.3.2 虛擬直通流控制 87
5.4 基于flit的流控制 88
5.5 虛擬通道流控制 90
5.6 無死鎖流控制 94
5.6.1 時間線和虛擬通道劃分 94
5.6.2 逃生虛擬通道 96
5.6.3 氣泡流控制 97
5.7 緩沖區(qū)反壓 98
5.7.1 基于credit的緩沖區(qū)反壓機制 99
5.7.2 基于開啟/關(guān)閉信號的緩沖區(qū)反壓機制 99
5.8 流控制協(xié)議的實現(xiàn) 100
5.8.1 緩沖區(qū)大小與周轉(zhuǎn)時間 100
5.8.2 反向信號線 103
5.9 特定應(yīng)用的片上網(wǎng)絡(luò)流控制 104
5.10 前沿技術(shù)概述 105
第6章 路由器微體系結(jié)構(gòu) 107
6.1 虛擬通道路由器微體系結(jié)構(gòu) 107
6.2 緩沖區(qū)和虛擬通道 109
6.2.1 緩沖區(qū)的組織方式 109
6.2.2 輸入虛擬通道狀態(tài) 112
6.3 開關(guān)設(shè)計 113
6.3.1 交叉開關(guān)設(shè)計 113
6.3.2 交叉開關(guān)加速 115
6.3.3 交叉開關(guān)切分 117
6.4 分配器和仲裁器 118
6.4.1 round-robin 仲裁器 119
6.4.2 矩陣仲裁器 121
6.4.3 分離式分配器 122
6.4.4 波前分配器 124
6.4.5 分配器的組織方式 130
6.5 流水線 131
6.5.1 流水線的實現(xiàn) 133
6.5.2 流水線的優(yōu)化 136
6.6 低功耗微體系結(jié)構(gòu) 143
6.6.1 動態(tài)功耗 144
6.6.2 漏電功耗 145
6.7 物理電路實現(xiàn) 147
6.7.1 路由器布局規(guī)劃 147
6.7.2 緩沖區(qū)電路實現(xiàn) 149
6.8 前沿技術(shù)概述 149
第7章 建模和評估 153
7.1 評價指標 153
7.1.1 分析模型 153
7.1.2 理想的互連結(jié)構(gòu) 156
7.1.3 網(wǎng)絡(luò)延遲?吞吐量?能耗曲線 157
7.2 片上網(wǎng)絡(luò)建模的基礎(chǔ)架構(gòu) 160
7.2.1 RTL和軟件模型 160
7.2.2 功耗和面積模型 161
7.3 網(wǎng)絡(luò)流量 162
7.3.1 消息類、虛擬網(wǎng)絡(luò)、消息長度和順序 162
7.3.2 應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)流量 163
7.3.3 合成網(wǎng)絡(luò)流量 165
7.4 調(diào)試方法 166
7.5 片上網(wǎng)絡(luò)生成器 167
7.6 前沿技術(shù)概述 169
第8章 案例分析 171
8.1 MIT Eyeriss（2016） 172
8.2 Princeton Piton（2015） 175
8.3 Intel Xeon Phi（2015） 177
8.4 D E Shaw研究的Anton 2（2014） 181
8.5 MIT SCORPIO（2014） 182
8.6 Oracle Sparc T5（2013） 185
8.7 密歇根大學(xué)的 Swizzle Switch（2012） 186
8.8 MIT Broadcast NoC（2012） 187
8.9 Georgia Tech 3D-MAPS（2012） 189
8.10 KAIST Multicast-NoC（2010） 190
8.11 Intel Single-chip Cloud（2009） 191
8.12 UC Davis AsAP（2009） 193
8.13 Tilera TILEPro64（2008） 195
8.14 ST MicroElectronics STNoC（2008） 198
8.15 Intel TeraFLOPS（2007） 201
8.16 IBM Cell（2005） 204
8.17 小結(jié) 205
第9章 結(jié)論 207
9.1 超越傳統(tǒng)的互連 207
9.2 彈性的片上網(wǎng)絡(luò) 210
9.3 作為FPGA內(nèi)部互連的NoC 211
9.4 多加速器的異構(gòu)SoC中的NoC 212
9.5 片上網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)會議 213
9.6 文獻說明 213
參考文獻 214
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前言/序言
序
是什么激發(fā)了將我們的On-Chip Networks翻譯成中文的想法，特別是在本書的三位作者都不精通中文的情況下？這一切源于十年前，在麻省理工學(xué)院，我們遇到了當時還是訪問博士生的任鵬舉。那個時候，關(guān)于片上互連網(wǎng)絡(luò)的研究課題，大家在一起進行了多次有趣而激動人心的頭腦風(fēng)暴式的研討。十年后，我們都已分開，并各自居住在不同的國家。鵬舉與我們聯(lián)系，表達了他有興趣將本書翻譯成中文的想法，我們都非常高興。在整個翻譯過程中，我們也幫助解決其中所遇到的問題。
由于新冠病毒在全球蔓延，2020年是特別艱難的一年。在某種程度上，本書為我們提供了重新交流的機會，幫助我們一起跨越新冠病毒所帶來的阻礙。當我們不斷努力探索新的工作、新的教學(xué)和學(xué)習(xí)方式時，我們很感激本書的翻譯工作將我們再次聯(lián)系起來，并通過該書使得新一代的學(xué)生和研究人員能夠更好地學(xué)習(xí)片上互連網(wǎng)絡(luò)這一技術(shù)。
