Dynamic Bandwidth Allocation for an OFDMA based RF Network-on-Chip - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

Dynamic Bandwidth Allocation for an OFDMA based RF Network-on-Chip

Allocation Dynamique de Bande Passante pour l'Interconnexion RF d'un Résau-sur-Puce

Résumé

With increasing silicon manufacturing capabilities, it is expected that chip multiprocessors (CMPs) with thousands of cores will be ready before 2030. With increasing number of cores, the main bottleneck for the CMPs is to sustain the communication between these cores and traditional Network-on-Chip (NoC) interconnects start to benot sufficient, as number of routers to traverse for packets, distances and congestion increase. Recently, optical and RF communications have been proposed to overcome these challenges for on-chip interconnects. Wired RF interconnect seems the most feasible one compared to wireless RF connection or optical interconnects, as it is full CMOS compatible and required high operating frequency for signal modulation is available. Proposed state-of-the-art RF or optical on-chip interconnects require high amount of CMOS or optical components to generate orthogonal channels and lack the effective bandwidth reconfiguration capacity. Wired RF Network-on-Chip Reconfigurable-on-Demand (WiNoCoD) project aims to break this bottleneck by proposing an Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) based on-chip RF interconnect, for the first time to the best of our knowledge. This approach enables a fully flexible RF architecture managed in a pure digital manner. This thesis, which contributes to WiNoCoD chip, proposes a 3-level hierarchical architecture for a 2048-core generic CMP and OFDMA based RF interconnect. In this work, we propose dynamic decentralized and centralized bandwidth reconfiguration schemes for this interconnect, concerning the very specific constraints and requirements of the CMP environment. Built on this framework, several effective RF bandwidth allocation algorithms are proposed and examined using realistic stochastic on-chip traffic models. This dynamic approach can achieve remarkably low latencies even under traffic loads near the network capacity, without requiring elevated computational complexity. In addition to these, a novel bandwidth allocation algorithm is introduced, which intends to decrease transmission latency by exploiting the bimodal nature of on-chip cache-coherency packets. We have shown that, this specialized infrastructure can decrease average latency up to 10 times further compared to previously proposed algorithms in this thesis under lower traffic intensity and longer cache lines. We also consider the utilization of dynamic modulation orders as an additional degree of freedom and propose intelligent selection algorithms which seek optimal delay-energy trade-off. For instance, with this approach average power can be decreased up to 15 times under certain circumstances, by relaxing average latency requirement to a few symbols long. Information theoretic capacity analysis of this interconnect is done for different transmission line topologies.
L’essor des technologies micro-´electroniques permet d’envisager que les puces de traitement integreront plusieurs milliers de coeurs dans la prochaine d´ecennie. Le principal d´efis de conception de ces puces se situe alors au niveau des echanges de donnees entre les cœurs cars les interconnexions NoC (Network on Chip) traditionnelles atteignent leurs limites en termes de congestion et de temps de latence. Les communications RF guid´ees preferes aux connexions RF non guidees pour leur plus faible puissance d’´emission requise ou optiques en raison de leur compatibilit´e avec la technologie CMOS, qui d´esormais peut supporter les fr´equences de fonctionnement exig´ees pour moduler les signaux RF. Mais, les solutions envisagees jusque l`a n´ecessitent une circuiterie importante pour g´en´erer des canaux RF orthogonaux, avec des capacites limitees en termes de flexibilite d’allocation de ces canaux. Pour y remedier, projet WiNoCoD (Wired RF Neetwork-on-Chip Reconfigurable-on-Demand) propose pour la premiere fois une approche bas´ee sur l’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) pour l’acc`es `a l’interconnexion RF intra-puce. En effet, cette approche permet une gestion purement numerique de l’allocation des ressources frequentielles de communication, apportant ainsi une grande flexibilite exploitable a la volee. La puce WiNoCoD propose une architecture generique a 2048 coeurs de traitement repartis en trois niveaux de hierarchie dont les elements du niveau sup´erieur sont relies par une interconnexion RF basee sur l’OFDMA. Dans cette these, nous proposons des schemas de reconfiguration de l’allocation des ressources frequentielles centralises et d´ecentralises adaptes aux contraintes specifiques de l’environnement intra-puce a tres grand nombre de coeurs. Plusieurs algorithmes d’allocation de frequence sont etudies dans le cas de modeles stochastiques de trafic realistes. L’approche dynamique proposee permet d’obtenir des performances remarquables en termes de latence, dans des conditions de trafic a la limite de la capacite du NoC, pour une faible complexite de calcul. En outre, un nouvel algorithme d’allocation est introduit pour d´ecroıtre la latence de transmission en tenant compte de la nature bimodale des paquets de coherence de cache d’une telle puce. Nous montrons que cela permet de diminuer la latence moyenne de livraison des paquets d’un facteur 10 en comparaison des autres solutions ´etudi´ees dans un contexte d’intensite de trafic moderee et pour des lignes de cache plus longues. Nous etudions aussi l’utilisation dynamique d’ordres de modulation comme un degre de liberte supplementaire et nous proposons un algorithme de selection du meilleur compromis entre consommation d’´energie et delai de livraison des paquets. Nous montons ainsi que la puissance moyenne peut etre amelioree d’un facteur 15 en relaxant le delai de livraison de quelques symboles. Une analyse de capacite au sens de la theorie de l’information est aussi effectuee pour differentes topologies de la ligne guidee.
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Dates et versions

tel-01568920 , version 1 (26-07-2017)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01568920 , version 1

Citer

Eren Unlu. Dynamic Bandwidth Allocation for an OFDMA based RF Network-on-Chip. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. CentraleSupélec, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01568920⟩
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