石輝，黃朝兵

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，武漢430070）

0 引言

隨著晶體管的技術(shù)的不斷發(fā)展，它的尺寸和提供的電壓都越來越小，這使得漏電的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，在所有種類的漏電中，靜態(tài)能量的損耗占了漏電中的大部分。例如，當(dāng)65 納米工藝中片上網(wǎng)絡(luò)的功耗在整個(gè)系統(tǒng)能量損耗中占到了11.2%，到了32 納米時(shí)片上網(wǎng)絡(luò)占到的功耗已經(jīng)達(dá)到了33.5%，在22 納米技術(shù)時(shí)，在靜態(tài)功耗在片上網(wǎng)絡(luò)所有的損耗中更是占到了高達(dá)74%[1]。為了提高多處理器芯片的運(yùn)行能力，讓多核芯片運(yùn)行時(shí)有更多的功率分配到計(jì)算資源節(jié)點(diǎn)中，減少片上網(wǎng)絡(luò)的功率損耗已經(jīng)變成了不容忽視的研究方向。

本文注意到在實(shí)際應(yīng)用中，路由器中經(jīng)過的報(bào)文在時(shí)間上的分布是不規(guī)則的。路由器在這時(shí)間分散的流量下會(huì)出現(xiàn)次數(shù)極多的通電和斷電的過程，這樣在功耗以及延遲當(dāng)面都會(huì)對系統(tǒng)造成不小的影響，如果這種通電過程的次數(shù)出現(xiàn)的過多，電源門控技術(shù)就會(huì)起到反面的效果，不僅會(huì)損耗更多的能量，也會(huì)帶來嚴(yán)重的延遲。

鑒于上述問題，本文提出了基于片上網(wǎng)絡(luò)功率控制的流量管理，對片上網(wǎng)絡(luò)中的流量進(jìn)行管理。

1 電源門控技術(shù)

電源門控技術(shù)能夠緩解漏電現(xiàn)象，但是電源門控技術(shù)在電路中起到作用有一個(gè)前提：電路中有足夠長的空閑時(shí)間以至于彌補(bǔ)斷電和通電過程產(chǎn)生的損耗。盡管片上網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)為在很高的節(jié)點(diǎn)之間流量傳輸運(yùn)行，在實(shí)際的應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)之間的流量傳輸其實(shí)很小，這就造成了大量的資源浪費(fèi)。其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示[2-4]。

圖1 片上網(wǎng)絡(luò)路由器的電源門控結(jié)構(gòu)圖

電源門控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是在電路和電源之間放置一個(gè)交換開關(guān)，這個(gè)交換開關(guān)可以是高閾值晶體管。對于芯片上的路由器來說，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)路徑（輸入緩存和輸出緩存）處于閑置狀態(tài)時(shí)，交換開關(guān)就會(huì)處于斷電狀態(tài)，它僅僅需要一個(gè)簡單的控制器就可以實(shí)現(xiàn)。這時(shí)相鄰的路由器必須被告知這個(gè)路由器已經(jīng)處于斷電狀態(tài)，不然傳輸?shù)膱?bào)文會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中丟失，因此使用握手信號告知相鄰路由器此路由器已經(jīng)處于斷電狀態(tài)很重要。當(dāng)路由器處于斷電狀態(tài)時(shí)，它相鄰的路由器會(huì)把相連的輸出口關(guān)閉并把它標(biāo)記為禁用狀態(tài)。片右邊的路由器處于斷電狀態(tài)，通過向左側(cè)的路由器發(fā)送PG（Power-Gated）信號來告知左側(cè)的路由器，隨后左側(cè)的路由器把與之相連的輸出緩存標(biāo)記為斷電。在需要從斷電狀態(tài)恢復(fù)為通電狀態(tài)時(shí)只需要相連的路由器發(fā)送WU（Wake-Up）信號。

2 流量管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體控制設(shè)計(jì)

整體控制設(shè)計(jì)流程圖如圖2 所示，局部控制器緩存數(shù)據(jù)包，當(dāng)片上網(wǎng)絡(luò)中所有的局部控中緩存的包的數(shù)量到達(dá)設(shè)定的閾值或者時(shí)間達(dá)到設(shè)置的閾值，把緩存的包注入到網(wǎng)絡(luò)中。

圖2 流量控制設(shè)計(jì)流程圖

（1）局部控制器開始緩存從資源節(jié)點(diǎn)發(fā)來的包，對緩存的包的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每個(gè)局部控制器都把自己統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)傳到局部控制器。

（2）全局控制器對所有局部控制器中的報(bào)文數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)在閾值間隔時(shí)間內(nèi)所有的報(bào)文的總量達(dá)到設(shè)定的閾值或者所有的報(bào)文的總量沒有到設(shè)定的閾值但是間隔時(shí)間達(dá)到了設(shè)置間隔閾值時(shí)，全局控制器就會(huì)給局部控制器發(fā)送注入信號。

（3）局部控制器接收到全局控制器發(fā)來的控制信號后，開始把報(bào)文注入到網(wǎng)絡(luò)中。

這樣就實(shí)現(xiàn)了對流量在時(shí)間上的控制，在片上網(wǎng)絡(luò)中使用電源門控技術(shù)之后，通過這種控制方式能夠使得流量能夠扎堆進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)讓路由器出現(xiàn)長時(shí)間的斷電過程，彌補(bǔ)電源門控通電帶來的損耗，降低整個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的功率損耗。

2.2 局部控制器

為了不讓報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)接口處立即進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口與路由器之間都會(huì)設(shè)置一個(gè)局部控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。為了暫時(shí)緩存從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)來的報(bào)文，局部控制器中包含一個(gè)緩存器，實(shí)現(xiàn)緩存報(bào)文的功能。局部控制器通過接受全局控制器發(fā)來的注入信號之后，會(huì)把緩存的報(bào)文注入到網(wǎng)絡(luò)中。路由器發(fā)往網(wǎng)絡(luò)接口的報(bào)文不會(huì)受到影響，在報(bào)文到達(dá)目標(biāo)路由器之后，資源節(jié)點(diǎn)會(huì)直接接收到報(bào)文。

圖3 局部控制器運(yùn)行過程圖

在結(jié)合局部控制器以及全局控制器之后就能夠?qū)崿F(xiàn)對流量在時(shí)間上進(jìn)行控制。在資源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包后，局部控制器開始緩存這些資源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)包，全局控制器發(fā)出釋放信號之后才讓這些緩存的數(shù)據(jù)包注入到網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)對流量在時(shí)間上進(jìn)行控制。這種控制技術(shù)只需要很小的局部緩存器以及簡單的控制電路就可以實(shí)現(xiàn)，在面積開銷以及功耗開銷上都比較小，對比片上網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開銷可以忽略不計(jì)。

2.3 全局控制器

全局控制器的作用是進(jìn)行決策以及對每個(gè)周期的閾值進(jìn)行更新。這里定義兩個(gè)參數(shù)：最大容量C 以及最大間隔時(shí)間T。這里的最大容量C 指的是所有局部控制器中所允許最大報(bào)文的總數(shù)，最大間隔時(shí)間T 指的是從上個(gè)周期結(jié)束的時(shí)間到本周期結(jié)束的時(shí)間。

這里對幾個(gè)符號進(jìn)行介紹：當(dāng)前周期中允許的最大容量用Cm表示，在當(dāng)前周期中所有局部控制器中的容量總數(shù)用Cc來表示。要對當(dāng)前周期中最大報(bào)文容量的大小進(jìn)行控制，需要一個(gè)容量的參考值來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前周期允許的最大容量Cm進(jìn)行更新，這里的容量參考值用Cr表示。在實(shí)際應(yīng)用中，用不同的最大容量來設(shè)置滑動(dòng)窗口，來計(jì)算出現(xiàn)的最大注入率。這里存在的注入率表示在一定報(bào)文數(shù)量時(shí)存在的最大注入率，當(dāng)注入率變小時(shí)可以知道這時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的包的總量變大但是注入率反而變小，也就說明報(bào)文容量變得更加大時(shí)在時(shí)間上的分散程度會(huì)更高，這里可以把注入率由大變小時(shí)的容量最為參考容量，以此來對當(dāng)前允許最大容量Cm進(jìn)行更新。

不同的最大容量閾值會(huì)對提出的基于時(shí)間集中的流量控制技術(shù)造成不同功率損耗以及時(shí)間延遲的影響，本文選取的容量閾值如圖4 所示。

圖4 不同報(bào)文容量下的最大注入率

間隔時(shí)間指的是從上一周期結(jié)束時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)間的差值，這里對幾個(gè)符號進(jìn)行介紹：當(dāng)前周期中允許的最大間隔時(shí)間用Tm表示，當(dāng)前間隔時(shí)間用Tc來表示。這里對當(dāng)前周期中最大間隔的大小進(jìn)行控制，需要一個(gè)間隔時(shí)間的參考值來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前周期允許的最大間隔時(shí)間Tm進(jìn)行更新，間隔時(shí)間參考值用Tr表示。在實(shí)際應(yīng)用中，用不同的間隔時(shí)間來設(shè)置滑動(dòng)窗口，來計(jì)算出現(xiàn)的最大注入率。

不同的最大時(shí)間閾值會(huì)對提出的基于時(shí)間集中的流量控制技術(shù)造成不同功率損耗以及時(shí)間延遲的影響，本文選取的時(shí)間閾值如圖5 所示。

這里的注入率表示在一定間隔時(shí)間時(shí)存在的最大注入率，當(dāng)注入率變小時(shí)可以知道這時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的包的總量變大但是注入率反而變小，也就說明報(bào)文容量變得更加大時(shí)在時(shí)間上的分散程度會(huì)更高，所以這里可以把注入率由大變小時(shí)的容量最為參考容量。

圖5 不同間隔時(shí)間下的最大注入率

全局控制器的實(shí)現(xiàn)過程如圖6 所示。首先統(tǒng)計(jì)每個(gè)局部控制器中數(shù)據(jù)包的數(shù)量，然后分別把容量數(shù)據(jù)以及當(dāng)前時(shí)間和閾值進(jìn)行比較，當(dāng)其中的一項(xiàng)高于閾值時(shí)，向所有的局部控制器發(fā)送釋放信號，之后等待局部控制器釋放數(shù)據(jù)包之后，接受所有局部控制器釋放完畢的信號，當(dāng)所有的都釋放完畢之后釋放緩存信號，隨后統(tǒng)計(jì)局部控制器數(shù)據(jù)。

通過監(jiān)控所有局部控制器中的容量以及當(dāng)前的間隔時(shí)間，當(dāng)其中一個(gè)值達(dá)到閾值時(shí)就向所有的局部控制器發(fā)送注入信號，當(dāng)所有的局部控制器包都注入到網(wǎng)絡(luò)中之后開始進(jìn)入下一個(gè)周期。更新每個(gè)周期的閾值參數(shù)是為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的流量，在流量較小時(shí)，報(bào)文在時(shí)間上的跨度就會(huì)變大，這時(shí)就會(huì)讓閾值參數(shù)變小，從而盡可能減少這種控制對整個(gè)系統(tǒng)的延遲，來提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

2.4 整體控制實(shí)現(xiàn)

控制實(shí)現(xiàn)時(shí)對網(wǎng)絡(luò)中的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體的實(shí)現(xiàn)過程偽代碼如下：

1:Initialize C;

2:Initialize T;

3:Initialize Cmto C;

4:Initialize Tmto T;

5:For each checking period

6:Initialize Cc,Tcas 0;

7:if Cc

8:if Tc

9:buffer packets;

10:else

11:ejecting packets

12:update Cm,Tmaccording to Cc

13:end

14: else

15:ejecting packets

16:update Cm,Tmaccording to Cc

17: end

18:end

在初始階段，分別設(shè)置容量閾值和間隔時(shí)間閾值為前兩節(jié)所說的容量參考值Cr以及間隔時(shí)間參考值用Tr。隨后通過用全局控制器來對所有局部控制器中的流量以及當(dāng)當(dāng)前的時(shí)間間隔，當(dāng)其中一個(gè)數(shù)值達(dá)到設(shè)置的閾值之后，向局部控制器發(fā)送信號，局部控制器接收到信號，開始把所有的報(bào)文注入到網(wǎng)絡(luò)中，注入后向全局控制器發(fā)送信號，開始進(jìn)入下一個(gè)周期。下一個(gè)周期開始時(shí)進(jìn)行對最大容量以及最大間隔時(shí)間進(jìn)行更新，設(shè)置新的閾值，使算法能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的流量，隨后進(jìn)入下一個(gè)周期，其過程和上面相同。當(dāng)其中一個(gè)值達(dá)到閾值就會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中注入報(bào)文，進(jìn)而進(jìn)入下一個(gè)周期。

在應(yīng)用運(yùn)行時(shí)，在路由器上使用傳統(tǒng)中的電源門控技術(shù)，這里和傳統(tǒng)電源門控技術(shù)的區(qū)別在于在沒有報(bào)文之后不會(huì)立即進(jìn)入斷電狀態(tài)，而是經(jīng)過幾個(gè)機(jī)器周期的檢測之后，沒有報(bào)文之后才會(huì)進(jìn)入斷電狀態(tài)。這樣的好處是不會(huì)因報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)出現(xiàn)延遲，從而使得路由器出現(xiàn)過多的頻繁的不必要的通電斷電過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文中用到的仿真器是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的C++多處理器仿真器[5]，本文使用11 個(gè)來自PARSEC[6]的基準(zhǔn)檢測程序進(jìn)行驗(yàn)證，和電源門控技術(shù)的性能進(jìn)行對比：

（1）No-PG：不使用電源門控技術(shù)。

（2）Conv-PG：傳統(tǒng)的電源門控技術(shù)（路由器在沒有報(bào)文經(jīng)過時(shí)立即斷電）。

（3）ConvOpt-PG：在電源門控技術(shù)的基礎(chǔ)上使用提前通電技術(shù)以及等幾個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行空閑檢測技術(shù)來確定是否進(jìn)入斷電狀態(tài)[7]。

里的功耗包括路由器的動(dòng)態(tài)功耗以及靜態(tài)功耗，在使用電源門控技術(shù)之后產(chǎn)生的通電過程的損耗以及使用本章提出方法的局部控制器的功耗。幾種方法在仿真結(jié)果上運(yùn)行功耗的對比如圖7 所示。

在圖7 中可以看到本章提出的方法能夠有效的大幅度減少能量的損耗，原因就在于通過控制報(bào)文注入網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間，使得所有的路由器會(huì)通電一段時(shí)間斷電一段時(shí)間，使得大幅度降低靜態(tài)功耗。相對比與No-PG、Conv-PG 和ConvOpt-PG 分別能夠平均減少18%以及22%的功率損耗，本章提出的方法能夠平均減少47%的能量損耗，可以看到能夠極大降低功率的損耗。

這里的運(yùn)行時(shí)間主要包括資源節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間以及報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間，在使用電源門控技術(shù)之后產(chǎn)生的通電過程的時(shí)間以及使用本章提出方法的局部控制器中報(bào)文的注入時(shí)間。在圖中可以看到本章提出的方法對時(shí)間有一部分影響，原因在于報(bào)文從局部控制器注入到網(wǎng)絡(luò)中需要一定的時(shí)間，以及由于網(wǎng)絡(luò)中流量很大，報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)產(chǎn)生的延遲。從圖中可以看出本文提出的方法相較于No-PG 平均多用了7%的運(yùn)行時(shí)間，相較于其他兩種方法分別消耗的運(yùn)行時(shí)間5.6%以及3%，可以忽略。從這里可以看到提出的方法會(huì)對時(shí)間造成輕微的影響。運(yùn)行時(shí)間的對比如圖8 所示。

圖7 幾種方法下片上網(wǎng)絡(luò)的功率損耗對比圖

圖8 幾種方法運(yùn)行時(shí)間的對比圖

4 結(jié)語

本文研究了片上網(wǎng)絡(luò)中使用電源門控技術(shù)對片上網(wǎng)絡(luò)損耗的功率的影響。提出并驗(yàn)證了基于時(shí)間的流量管理方法。通過使用局部控制器以及全局控制器來對流量進(jìn)行管理，使報(bào)文以抱團(tuán)的形式進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)合電源門控技術(shù)能夠大幅度減少路由器斷電的次數(shù)和延長路由器的斷電時(shí)間。通過仿真驗(yàn)證可以得到和理論的一致性，能夠在很少影響運(yùn)行時(shí)間的情況下大幅度降低片上網(wǎng)絡(luò)的功率損耗。