[发明专利]依据3D NoC中每一层TSV连接状况建立通道表的方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种3D NoC路由算法，更具体地说是一种用于异构3D NoC结构，具有对失效TSV容错和缓解上下通道拥堵作用的片上路由算法。

背景技术

3D NoC(Three-Dimension Network-on-Chip)是一种通过硅直通孔(TSV)互连多层晶圆(die)而实现垂直集成的互连方式。它克服了2D-NoC中所有的元器件都在一个平面上分布的局限，从而获得更小的体积、更好的功耗和射频性能。3D-NoC通过垂直集成使芯片的集成度大幅度提高，被多数专家认为是一种延续摩尔定律增长趋势的新方法，成为当前半导体产业发展最快的技术之一。

常见的3D NoC拓扑结构有3D Mesh、3D Torus、三维堆叠Mesh等，其中被众多学者广泛研究的结构是3D Mesh。传统的3D Mesh结构是一种由规则的2D NoC通过上下堆叠而成的规则的3D网络结构，每一层间通过TSV实现层间通信。这些TSV实际上就是在晶圆与晶圆之间制造一系列的垂直导通，用来实现芯片间的互连。一个TSV就代表一条在垂直方向上用来传输信号的数据链路。

传统的3D NoC片上路由器是通过扩展2D片上路由器而实现的，在原有2D片上路由器东、西、南、北和本地5对输入输出端口的基础上，增加上、下两对端口来实现垂直方向的层间通信。其中的路由算法也是通过扩展传统的2D NoC中的路由算法来实现数据的传输，例如扩展传统的X-Y维序路由算法为X-Y-Z路由算法，即先将数据包在层内传输到与目的节点同一垂直位置的中间节点，然后再通过TSV垂直传输到目的节点。而如今的工业设计上，通常将实现不同功能的模块放在3D芯片的不同层上，例如最上一层放置CPU核，中间层放置RAM和ROM，底层放置通信模块。这样的设计很难做到每一层上的网络节点布局一致，从而导致某些路由节点有向上或向下的通道，即有TSV相连，而某些节点则没有垂直方向通道。这样的结构就很难使用传统的3D路由算法来达到传输数据包的目的。

如今，芯片制造工艺进入65纳米级以下，制造工艺越来越复杂，制造难度越来越大。TSV的尺寸只有10微米左右，而目前TSV制造技术还不够成熟，制造成本高，且极易在制造过程中出现空洞、断裂、误对齐等情况而造成TSV失效。一个65nm CMOS工艺加工技术制造的硅芯片，46％-65％的成本开销都用在了TSV的加工上。因此，TSV的数量应该尽可能少，并需要片上路由算法有对TSV失效进行故障修复的功能。

因此，需要一种3D NoC路由算法，以解决在不规则3D NoC结构中的通信问题，同时又要具备良好的TSV容错和缓解拥堵的功能。

片上路由算法的设计是要在吞吐率、延迟、功耗等几大性能指标中找一个最佳的平衡点。国内外的众多学者也对3D NoC路由器及路由算法有过很多研究。这些研究主要集中在如下几点：

1、一种用于大规模3D NoC芯片的分层路由器，是由两个完全分离的模块组成，一个是5*5的片上路由器，用于层内通信，另一个是4*4的片上路由器用于层间通信，从而在大规模3D NoC结构中获得更好的吞吐率和延迟，且该方法可以较好的应用于异构的3D NoC中，但是不适用于小规模的3D NoC结构，不能应对部分TSV失效的情况，也不具有缓解拥堵的功能。

2、使用一种电梯优先路由算法来解决减少TSV的异构3D NoC结构中的通信问题，该算法通过给每个网络节点分配一个具有向上和向下TSV的电梯节点，从而实现层间通信，但是没有考虑部分TSV出现故障的容错处理。

3、通过为片上路由器增加一个输入端口的方法来处理TSV故障和输入端口，并具有拥塞感知功能，但是该方法不适用于异构3D NoC。

4、前瞻性路由算法，将当前节点的路由选择计算提前到上一个路由器进行，从而使路由计算和交叉开关选择两步并行，从而提高路由器吞吐率，但是这个改进的方法并不适用于异构的3D NoC。

发明内容