- GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÔNG SUẤT TIÊU THỤ CHO CÁC KIẾN TRÚC MẠNG TRÊN CHIP. - Các kỹ sư thiết kế đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau từ giải pháp phần mềm đến kiến trúc phần cứng ở mọi bước của quá trình thiết kế để có thể tối ưu hoá được năng lượng tiêu thụ trên vi mạch.. - Bên cạnh đó, sự phát triển của các SoC phức tạp cũng đã thúc đẩy một mô hình truyền thông trên chip phát triển để thay thế cho các mô hình truyền thông truyền thống trước đó. - Đó chính là mô hình của các mạng trên chip (NoC: Network on Chip. - Từ những phân tích và đánh giá như trên, luận án này đã đặt ra mục tiêu là tìm hiểu, nghiên cứu và đề xuất giải pháp tối ưu công suất tiêu thụ cho các kiến trúc mạng trên chip. - Nghiên cứu về một số vấn đề cơ bản của mô hình mạng trên chip như: tô-pô mạng, cơ chế truyền thông, các thuật toán định tuyến, vấn đề điều khiển luồng dữ liệu. - Nghiên cứu các phương pháp, kỹ thuật đang được ứng dụng hiện nay để thiết kế các vi mạch tích hợp với công suất tiêu thụ thấp.. - Tìm hiểu các kỹ thuật cũng như các quy trình thiết kế theo hướng tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ áp dụng cho các hệ thống trên chip, mạng trên chip.. - toán định tuyến mới được phát triển gần đây nhằm giải quyết vấn đề giảm thiểu năng lượng tiêu thụ cho các mạng trên chip.. - Đề xuất một số giải pháp hoặc kỹ thuật mới để xây dựng một mô hình mạng trên chip theo hướng tối ưu hóa về công suất tiêu thụ.. - Áp dụng các giải pháp, kỹ thuật này vào mô hình mạng trên chip dạng 2D-mesh đang được phát triển tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Hệ thống tích hợp thông minh (SISLAB), Trường Đại học Công nghệ. - Để có thể đưa ra được một giải pháp đúng đắn theo mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, luận án này đã áp dụng các phương pháp nghiên cứu như sau để có thể tiếp cận, phân tích và xây dựng được một mô hình phù hợp:. - Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết và các công trình liên quan đến mô hình mạng trên chip cũng như các vấn đề cơ bản của loại mô hình truyền thông này. - Đồng thời, tìm hiểu tổng quan lý thuyết về các kỹ thuật và phương pháp tối ưu năng lượng tiêu thụ khi thiết kế các vi mạch tích hợp. - Nghiên cứu các phương pháp hoặc kỹ thuật thiết kế được áp dụng để xây dựng các mô hình mạng trên chip theo hướng tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.. - Xây dựng các phương án nhằm phân tích, đánh giá hoạt động của một mạng trên chip ở mức hệ thống để rút ra các đặc trưng liên quan đến năng lượng tiêu thụ. - Từ đó tìm ra được các yếu tố ảnh hưởng đến vấn đề năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống.. - Đề xuất giải pháp điều khiển bằng phần cứng ở mức thấp để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của hệ thống dựa trên các kỹ thuật tiên tiến. - Mô hình hoá, mô phỏng và kiểm chứng kiến trúc đề xuất bằng cách áp dụng lên một hệ thống mạng trên chip dạng 2D-mesh để khẳng định hoạt động về mặt chức năng đề ra.. - Đề xuất được một giải pháp dựa trên phương pháp điều khiển tỷ lệ tần số - điện áp động (DVFS) và thuật toán lô-gíc mờ để tối ưu được năng lượng tiêu thụ cho kiến trúc truyền thông mạng trên chip dạng 2D-mesh.. - Mô hình hoá và thực thi giải pháp được đề xuất dưới dạng phần cứng bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL. - Các khối thành phần của giải pháp đều được mô hình hoá ở mức chuyển dịch thanh ghi (RTL: Register Transfer Level ) và đã được mô phỏng, kiểm chứng hoạt động lô-gíc bằng phần mềm mô phỏng Model- Sim.. - Đề xuất phương án cho phép đánh giá hiệu quả tiêu thụ năng lượng của mạng trên chip ở mức hệ thống khi có áp dụng các kỹ thuật điều khiển DVFS khác nhau thông qua nền tảng ORION, một mô hình cho phép ước lượng năng lượng tiêu thụ của mạng trên chip với độ chính xác cao.. - Phương pháp thiết kế vi mạch theo hướng công suất tiêu thụ thấp. - 1.1 Năng lượng tiêu thụ trên mạch tích hợp. - Công suất tiêu thụ của một vi mạch bao gồm hai thành phần chính:. - công suất tiêu thụ động (dynamic power) và công suất tiêu thụ tĩnh (static power). - 1.1.1 Công suất tiêu thụ động. - Có nhiều nguyên nhân gây ra công suất tiêu thụ động trên một vi mạch. - 1.1.2 Công suất tiêu thụ tĩnh. - Như đã trình bày trong Mục 1.1.1, công suất tiêu thụ động tỷ lệ với bậc hai điện áp nguồn cung cấp ( V dd 2. - Vì vậy, bằng cách làm giảm điện áp nguồn cho từng thành phần trong vi mạch, ta sẽ giảm được công suất tiêu thụ động trên toàn hệ thống.. - 1.3.1 Phương pháp điều khiển tỷ lệ điện áp - tần số động Phương pháp điều khiển tỷ lệ điện áp - tần số động (DVFS) được biết đến như là một kỹ thuật phổ biến để quản lý năng lượng tiêu thụ ở mức hệ thống. - Hình 1.1: Mô hình hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển tỷ lệ tần số - điện áp động.. - Hình 1.2: Mô hình cơ bản của một hệ thống mờ.. - Một mô hình hệ thống lô-gíc mờ sẽ bao gồm các yếu tố sau: dữ liệu (đầu vào và đầu ra), các hàm chuyển đổi, các phép toán lô-gíc và các biến ngôn ngữ.. - Trong Chương 1 này, luận án đã tập trung vào việc phân tích một số nguyên nhân chính gây ra công suất tiêu thụ trên một mạch tích hợp. - Từ đó, luận án cũng đã tìm hiểu và đánh giá hiệu quả của một số phương pháp thiết kế giúp giảm được công suất tiêu thụ của hệ thống.. - Mạng trên chip và một số vấn đề về tối ưu năng lượng tiêu thụ. - Đồng thời, chương này cũng sẽ tìm hiểu và đánh giá một số giải pháp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ đã được nghiên cứu và áp dụng thành công cho một số mạng trên chip.. - 2.2 Một số giải pháp thiết kế mạng trên chip theo hướng giảm công suất tiêu thụ. - Trong kiến trúc này, các tác giả đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau, áp dụng trên một kiến trúc mạng trên chip bất đồng bộ để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ cho toàn mạng bằng cách áp dụng kỹ thuật thiết kế GALS (dị bộ toàn cục - đồng bộ cục bộ).. - Kiến trúc điều khiển năng lượng tự thích nghi trong ALPIN 2.2.2 Mô hình điều khiển tần số - điện áp dựa trên kỹ thuật. - Trong mô hình này, các tác giả đã thiết kế một mạng trên chip sử dụng kỹ thuật GALS để phân chia các vùng điện áp và tần số hoạt động khác nhau. - Một số giải pháp đã được nghiên cứu và áp dụng thành công cho một số mạng trên chip nhằm làm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ của các hệ thống đó cũng đã được luận án tìm hiểu, phân tích và đánh giá trong chương này để đưa ra được hướng tiếp cận cho mô hình giải pháp mà luận án đề xuất trong Chương 3.. - Mô hình bộ điều khiển tần số - điện áp cho bộ định tuyến của mạng trên chip. - Trong chương này, luận án sẽ tập trung trình bày một giải pháp được đề xuất để nhằm giảm năng lượng tiêu thụ ở các nốt mạng trong một mô hình mạng trên chip. - Mô hình này được đề xuất dưới hình thức là ý tưởng về một bộ điều khiển tần số - điện áp cho bộ định tuyến được sử dụng trong mạng trên chip.. - 3.1 Đề xuất mô hình bộ điều khiển tần số - điện áp cho bộ định tuyến. - Mô hình của hệ thống được đề xuất được mô tả như sơ đồ khối ở Hình 3.1.. - 3.2 Thiết kế và mô hình hoá bộ điều khiển tần số - điện áp Với mô hình của khối điều khiển tần số - điện áp đã được đề xuất như ở trên, luận án tiếp tục thực hiện quá trình mô hình hoá mô hình bằng cách sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL.. - Hình 3.1: Mô hình khối điều khiển tần số điện áp cho bộ định tuyến của mạng trên chip.. - Mô hình của khối đo lưu lượng được mô tả như trong Hình 3.2.. - Hình 3.3: Mô hình khối tính toán giá trị lưu lượng trung bình cực đại.. - Hình 3.4: Mô hình khối tính toán biến thiên giá trị lưu lượng.. - Mô hình bộ FLP được đề xuất là một xử lý lô-gic mờ với hai đầu vào, một đầu ra, sử dụng mô hình Sugeno bậc 0. - Mô hình này được thực thi với từng khối con như sau (Hình 3.5):. - Hình 3.5: Mô hình sơ đồ khối của khối xử lý lô-gíc mờ.. - Bằng việc áp dụng mô hình Sugeno, một quy luật hợp thành trong mô hình có thể được phát biểu dưới dạng quy luật IF-THEN như sau:. - 3.3.5 Mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển tần số - điện áp. - Chương 3 của luận án đã đề xuất mô hình của một bộ điều khiển tần số - điện áp cho các bộ định tuyến để nhằm giảm năng lượng tiêu thụ ở các nốt mạng trong một mô hình mạng trên chip. - Mô hình của bộ điều khiển tần số - điện áp cũng đã được luận án tiến hành mô hình hóa bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL ở mức chuyển dịch thanh ghi (RTL) để có thể xây dựng phương án đánh giá, ước lượng được hiệu. - quả của mô hình này. - Các mô phỏng hoạt động lô-gíc của từng khối trong mô hình và toàn bộ khối điều khiển cũng đã được thực hiện trên phần mềm ModelSim. - Các kết quả thu được đã chứng tỏ bộ điều khiển tần số - điện áp hoạt động hoàn toàn đúng với các đặc tả kỹ thuật mà luận án đã đặt ra cho mô hình này.. - Chương này tập trung tìm hiểu mô hình ORION, một mô hình cho phép ước lượng, đánh giá năng lượng tiêu thụ của mạng trên chip với độ chính xác gần bằng với các kết quả tổng hợp phần cứng. - Phần mềm mô phỏng VNOC 2.0 và một số chiến lược đánh giá hiệu năng tiêu thụ năng lượng của bộ điều khiển tần số - điện áp cũng sẽ được thảo luận trong chương này.. - 4.1 Mô phỏng và ước lượng công suất tiêu thụ của một mạng trên chip. - 4.1.1 ORION 3 - Một mô hình hiệu quả để đánh giá năng lượng tiêu thụ cho mạng trên chip. - Để có thể mô phỏng và ước lượng được công suất tiêu thụ của một mạng trên chip ở mức kiến trúc, các mô hình ước lượng thường được xây dựng dựa trên theo hai hướng tiếp cận chính:. - Ở hướng tiếp cận thứ nhất, mô hình được xây dựng dựa trên các mô hình mẫu có sẵn ở mức kiến trúc. - Với hướng tiếp cận này, một tập các mô hình mẫu về công suất tiêu thụ và diện tích thực thi của từng khối thành phần trong bộ định tuyến sẽ được đề xuất. - Các khối chính của bộ định tuyến mà các mô hình này thường dùng để xây dựng tập mẫu là: bộ đệm cổng vào/ra, bộ chuyển mạch chéo (crossbar), các chuyển mạch (switch), bộ phân chia kênh ảo (VC arbiter). - Tuỳ thuộc vào kiến trúc cụ thể của bộ định tuyến mà mô hình mẫu phù hợp với từng khối thành phần sẽ được lựa chọn để cho phép mô phỏng và ước lượng được công suất tiêu thụ và diện tích thực thi của hệ thống mạng trên chip cần thiết kế.. - Với cách tiếp cận thứ hai, các mô hình mô phỏng sẽ được xây dựng dựa trên việc phân tích hồi quy các dữ liệu thu được từ sau khi thực hiện quá trình đặt chỗ và định tuyến (post Place &. - Cấu trúc của mô hình ORION 3. - Mô hình ORION 3 được mô hình hoá dưới dạng từng khối thành phần của một bộ định tuyến. - Mô hình của từng khối thành phần được các tác giả phát triển dựa trên việc phân tích quá trình sau tổng hợp (post-synthesis) và netlists được sinh ra từ quá trình đặt chỗ và định tuyến (P&R) của hai bộ định tuyến là Net Maker (được phát triển bởi trường Cambridge) và Open Sorce NoC router (phát triển bởi trường đại học Standford).. - Bên cạnh việc hỗ trợ mô phỏng các hoạt động thông thường của một mạng trên chip, VNOC 2.0 còn được tích hợp hai mô hình ORION 2 và ORION 3 cho phép ước lượng năng lượng tiêu thụ của mạng trên chip đó trong quá trình mô phỏng. - Vì vậy, người dùng có thể áp dụng các thuật toán về điều khiển tần số - điện áp dựa trên phương pháp DVFS trên NoC và nhận được các kết quả mô phỏng về năng lượng mà hệ thống đã tiêu thụ.. - Sau khi đã thiết kế và mô hình hóa bộ điều khiển tần số - điện áp cho bộ định tuyến trong mạng trên chip như trong Chương 3, luận án đã tiến hành thực hiện việc ước lượng, đánh giá và kiểm chứng hiệu năng của mô hình đã được đề xuất. - Trong chương này, luận án đã tập trung tìm hiểu về mô hình ORION 3, một mô hình cho phép ước lượng,. - Hình 4.1: Kết quả mô phỏng về công suất tiêu thụ đối với kiểu truyền thông UNIFORM.. - đánh giá năng lượng tiêu thụ của mạng trên chip với độ chính xác gần bằng với các kết quả tổng hợp phần cứng. - Bằng cách áp dụng mô hình ORION 3, kết hợp với phần mềm mô phỏng VNOC 2.0, luận án đã chứng tỏ được giải pháp giảm thiểu công suất tiêu thụ đã được đề xuất đã hoạt động hiệu quả khi cho phép hệ thống giảm tới 43% công suất tiêu thụ trong khi duy trì được độ trễ truyền của hệ thống tăng thêm không quá cao.. - Luận án này đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu là đề xuất được một giải pháp hoặc kỹ thuật nhằm tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống mạng trên chip. - Luận án đã đề xuất được một giải pháp dựa trên thuật toán lô-gíc mờ và phương pháp điều khiển thay đổi tỷ lệ tần số - điện áp động (DVFS) để giảm năng lượng tiêu thụ tại các nốt mạng của một hệ thống mạng trên chip. - Luận án đã đề xuất được mô hình một bộ điều khiển để điều chỉnh tần số - điện áp cung cấp cho bộ định tuyến tuỳ thuộc theo lưu lượng chuyển qua bộ định tuyến đó.. - Mô hình bộ xử lý lô-gíc mờ đã được mô hình hoá ở mức RTL bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL và đã được mô phỏng để chứng tỏ các hoạt động lô-gíc của bộ xử lý này là đúng theo đặc tả kỹ thuật mà luận án đề ra. - Các kết quả nghiên cứu về mô hình của bộ xử lý lô-gíc mờ cũng đã được công bố tại hội nghị REV-ECIT 2014 (công trình [C1]) và hội nghị IEEE PRIME 2015 (công trình [C2]).. - Toàn bộ kiến trúc của bộ điều khiển tần số - điện áp bao gồm các khối thành phần và lõi xử lý lô-gíc mờ cũng đã được luận án đưa ra và đã được mô hình hoá ở mức chuyển thanh ghi để có thể kiểm chứng khả năng thực thi phần cứng của mô hình giải pháp được đề xuất.. - Những kết quả mô hình hoá và kết quả mô phỏng hoạt động toàn bộ hệ thống điều khiển tần số - điện áp này cũng đã được công bố tại hội nghị IEEE ATC 2016 (công trình [C3]) và tại tạp chí JCSCE (công trình [J1]).. - Để đánh giá được hiệu quả của giải pháp đã đề xuất, luận án đã tiến hành nghiêu cứu, tìm hiểu về mô hình ORION - một mô hình cho. - phép đánh giá và ước lượng năng lượng tiêu thụ của các mạng trên chip với độ chính xác cao. - Dựa trên mô hình ORION, luận án đã ứng dụng phần mềm VNOC 2.0 để phát triển một môi trường đánh giá ước lượng hiệu quả của mô hình bộ điều khiển tần số - điện áp được đề xuất. - Kết quả mô phỏng đã cho thấy khi có áp dụng bộ điều khiển thì công suất tiêu thụ của hệ thống mạng trên chip có thể giảm tới 43% trong khi độ trễ truyền chỉ tăng thêm khoảng 80%. - Sau quá trình nghiên cứu tìm hiểu, luận án đã đạt được mục tiêu đặt ra khi tiến hành nghiên cứu về đề tài: “Giải pháp tối ưu công suất tiêu thụ cho các kiến trúc mạng trên chip”. - Giải pháp mà luận án đề xuất đã chứng tỏ được hiệu quả về mặt tiết kiệm năng lượng cho một hệ thống mạng trên chip khi có thể giảm công suất tiêu thụ cho hệ thống lên đến 43% trong khi duy trì được độ trễ truyền tăng không quá cao.. - Ngoài ra, cùng với việc sử dụng thuật toán lô-gíc mờ, một hướng tiếp cận khác cho việc dự đoán lưu lượng đó là sử dụng các mô hình máy học (machine learning) để tiến hành dự đoán. - C1 Hai-Phong Phan , Xuan-Tu Tran, “Thiết kế và mô hình hoá bộ xử lý lô-gic mờ trong điều khiển tần số - điện áp”, In Proceeding of the 2014 National Conference on Electronics, Communications and Information Technology (REV-ECIT 2014
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt