BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN VĂN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU NoC CẤU HÌNH LẠI ĐƯỢC TRÊN FPGA VÀ PHÁT TRIỂN
THUẬT TOÁN ÁNH XẠ ĐỘNG ỨNG DỤNG TRÊN NỀN TẢNG NoC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 62520203
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Hà Nội – 2017
Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. PHẠM NGỌC NAM
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi … giờ … , ngày … tháng … năm 2017
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các thiết bị nhúng đang trở nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta (ví dụ: điện
thoại thông minh, các thiết bị di động). Khi thiết kế hệ thống nhúng, người thiết kế cần xem xét kỹ
lưỡng các tiêu chí ràng buộc như hiệu năng, thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, tiêu thụ năng
lượng, kích thước thực hiện, khả năng nâng cấp, cập nhật các ứng dụng và các tính năng mới trong
tương lai, v.v. Bên cạnh đó, các ứng dụng đa phương tiện tiên tiến như HD-video, xử lý ảnh, các trò
chơi 3D, v.v. luôn yêu cầu một sức mạnh tính toán lớn và chuyển tải dữ liệu nhanh. Các ứng dụng
này được thiết kế theo cách mà mức chất lượng của chúng có thể được điều chỉnh phù hợp với khả
năng xử lý của nền tảng phần cứng [52, 70]. Ví dụ khi xem video trên Internet, tùy thuộc vào băng
thông của mạng cũng như khả năng xử lý của thiết bị mà người dùng có thể xem được video ở mức
chất lượng HD hoặc SD, v.v. Thêm vào đó, các ứng dụng được mô hình hóa dưới dạng đồ thị tác
vụ với số lượng lớn các tác vụ truyền thông và các đặc tính khác nhau do vậy yêu cầu xử lý song
song các tác vụ này là rất cao. Một yếu tố khác đó là hành vi của người sử dụng thiết bị luôn thay
đổi theo thời gian như nghe nhạc, xem phim hoặc chơi trò chơi, v.v. Theo các yêu cầu này, chúng ta
dễ thấy rằng các ứng dụng được đưa vào và rời khỏi hệ thống tại bất kỳ thời điểm nào. Thứ tự các
ứng dụng được đưa vào và rời hệ thống cũng không thể biết trước. Ngoài ra, mức chất lượng của
các ứng dụng cũng có thể bị thay đổi theo hành vi của người dùng hoặc theo tình trạng tài nguyên
sẵn có của thiết bị (ví dụ: yêu cầu mức chất lượng, hiệu năng cho từng ứng dụng). Do vậy, việc phát
triển các nền tảng phần cứng có nhiều khả năng linh hoạt và khả năng thích nghi với các yêu cầu
như trên là hết sức cần thiết. Một xu hướng mới trong thiết kế các nền tảng tiên tiến đó là tạo ra một
nền tảng có thể tái cấu hình các mô đun vật lý sau khi chế tạo, kết hợp giữa bộ vi xử lý và các thiết
bị cấu hình lại [90], chẳng hạn như FPGA (Field Programmable Gate Array), để tăng thêm tính linh
hoạt cho hệ thống trong các môi trường khác nhau [63]. Tuy nhiên, khả năng của các phần tử cấu
hình lại trong thiết bị luôn có giới hạn. Do vậy, cần lựa chọn thêm một giải pháp quản lý động cho
hệ thống. Một trong những giải pháp quan trọng và rất linh hoạt đó là kỹ thuật ánh xạ ứng dụng
động. Kỹ thuật này kết hợp với khả năng cấu hình lại từng phần động của thiết bị phần cứng như
FPGA sẽ tạo ra một giải pháp hứa hẹn để giải quyết yêu cầu triển khai nhiều ứng dụng có thể điều
chỉnh được mức chất lượng lên nền tảng có tài nguyên tái cấu hình hạn chế [8, 86].
Hơn nữa, do độ phức tạp của các thiết bị nhúng hiện đại ngày càng tăng, một số lượng ngày
càng nhiều ứng dụng với chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) khác nhau có thể được triển
khai lên thiết bị, thường là trong một môi trường các nền tảng cấu hình lại không đồng nhất. Bởi vì
một nền tảng cấu hình lại không đồng nhất với sự linh hoạt của các bộ xử lý nhúng và hiệu quả tính
toán của một số vùng cấu hình lại đã được chứng minh là có nhiều ưu điểm hơn so với nền tảng
đồng nhất [1, 49]. Trong một nền tảng như vậy, các bộ xử lý nhúng thường được sử dụng để quản lý
và thực hiện một số tác vụ phức tạp thấp trong khi các vùng cấu hình lại được sử dụng để tăng tốc
độ tính toán cho các tác vụ phức tạp. Khả năng cấu hình động cho phép nền tảng thích nghi với các
yêu cầu xử lý thay đổi của các ứng dụng.
Mặt khác, các yêu cầu truyền thông ngày càng gia tăng trong một hệ thống trên chip (SoC:
System on Chip) phức tạp như nền tảng đa lõi không đồng nhất cấu hình lại được. Do vậy việc lựa
chọn một cơ sở hạ tầng truyền thông phù hợp là cần thiết. Điều này phải đảm bảo các kết nối cần
thiết với một QoS được xác định trước, chẳng hạn như thông lượng hoặc trễ tối đa. Tuy nhiên, trong
nhiều trường hợp mức ưu tiên của các ứng dụng chưa được biết trước tại lúc thiết kế mà chỉ biết
được khi chúng được triển khai vào hệ thống tại thời gian chạy. Trong trường hợp này, các yêu cầu
2
truyền thông hiệu quả không được biết đến tại thời gian tổng hợp, do đó một cơ sở hạ tầng truyền
thông linh hoạt sẽ được lựa chọn. Hơn nữa, một SoC phức tạp còn yêu cầu tích hợp một số lượng
lớn các lõi IP (Intellectual Property) lên nó, vì vậy, một cơ sở hạ tầng truyền thông hiệu năng cao,
khả năng xử lý song song để kết nối các IP khác nhau cần được sử dụng. Với yêu cầu này, các kiến
trúc truyền thống như Bus chia sẻ hay kết nối trực tiếp điểm-điểm không thể áp dụng được. Kiến
trúc mạng trên chip (NoC: Network on Chip) ra đời và xem như một giải pháp thay thế cho kiến
trúc Bus và kết nối điểm-điểm theo hướng công nghệ này. Kiến trúc NoC cung cấp một cơ sở hạ
tầng truyền thông có hiệu năng cao, có khả năng mở rộng và khả năng xử lý song song cao, thích
hợp cho việc tích hợp một số lượng lớn các lõi IP lên một SoC [9,50]. Do vậy, NoC được đề xuất
như là một giải pháp cho truyền thông giữa các IP trong thiết kế các SoC phức tạp.
Ngoài ra, hầu hết các nền tảng phần cứng SoC hiện nay được chế tạo trên công nghệ ASIC
(Application-Specific Integrated Circuit) đó là một dạng thiết kế tĩnh, có nghĩa là các IP, hạ tầng
truyền thông và các thiết bị ngoại vi không thể thay đổi sau khi sản phẩm được chế tạo. Do vậy
chúng khó có thể đáp ứng được các yêu cầu cho khả năng thích nghi, thay đổi một số mô đun hay
sửa lỗi sau khi chế tạo. Để phát triển một nền tảng SoC dạng ASIC cần phải có quỹ thời gian dài và
chi phí khá cao khi yêu cầu thiết kế với số lượng sản phẩm không lớn. Điều này rõ ràng bất lợi và
không phù hợp với các yêu cầu như: Thời gian thiết kế sản phẩm mẫu ngắn, số lượng sản phẩm
nhỏ, sản phẩm có độ linh hoạt và thích nghi cao. Các hạn chế này có thể được khắc phục bằng công
nghệ FPGA. Một trong những tính năng đặc biệt của một FPGA hiện đại là khả năng cấu hình lại và
cấu hình lại từng phần động. Với khả năng này, FPGA có thể thay đổi nhiều lần và thay đổi động
các chức năng đã thực hiện trên các thiết bị vật lý của nó ngay khi đang còn hoạt động. Do đó,
FPGA được lựa chọn như một nền tảng hứa hẹn để tạo mẫu nhanh cho một hệ thống trên chip so
với ASIC [84]. Điều này cũng thích hợp để xây dựng một hệ thống thích nghi. Một hệ thống thích
nghi [2, 87] là mô hình trong đó tác vụ tính toán có thể thay đổi và thích nghi với tình trạng tài
nguyên của hệ thống hoặc các yêu cầu của ứng dụng hay hành vi của người dùng tại thời gian chạy.
Hơn nữa, nhờ vào sự phát triển không ngừng của công nghệ bán dẫn và công nghệ nano mà số
lượng tài nguyên và tốc độ xử lý trên FPGA đang dần tăng; giá thành và tiêu thụ năng lượng tiếp
tục giảm. Thêm vào đó xu hướng thiết kế kết hợp giữa bộ vi xử lý và FPGA [28, 43] làm cho nó có
thể phù hợp với các thiết kế hệ thống phức tạp linh hoạt trên một FPGA [6, 41].
Với những yêu cầu như vậy, việc phát triển một nền tảng nhúng đa lõi cấu hình lại được động
trên FPGA dựa theo mô hình NoC có hiệu năng cao và triển khai các ứng dụng có thể điều chỉnh
mức chất lượng lên nền tảng này tại thời gian chạy là các vấn đề mới cần được nghiên cứu. Đó cũng
chính là động lực mạnh mẽ thôi thúc nghiên cứu sinh chọn và thực hiện các nội dung nghiên cứu
này trong luận án.
2. Mục tiêu, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
(i) Đề xuất kiến trúc NoC hiệu năng cao bao gồm kiến trúc bộ định tuyến và bộ giao tiếp
mạng.
(ii) Xây dựng nền tảng phần cứng đa lõi linh hoạt có khả năng cấu hình lại được từng phần
trên FPGA dựa trên kiến trúc NoC. Nền tảng này cho phép thay đổi tự động một số mô
đun trong lớp truyền thông hoặc lớp tính toán của NoC tại thời gian chạy để thích nghi
với các yêu cầu thay đổi của các ứng dụng.
(iii) Xây dựng và đề xuất các thuật toán cho bài toán ánh xạ các ứng dụng có thể điều chỉnh
mức chất lượng vào nền tảng phần cứng cấu hình lại được dựa trên NoC.
Phạm vi nghiên cứu:
3
(i) Nghiên cứu mô hình kiến trúc NoC sử dụng cấu hình lưới hai chiều, kỹ thuật điều khiển
luồng wormhole, kênh ảo và giải thuật định tuyến XY để xây dựng mô hình truyền
thông NoC có hiệu năng cao.
(ii) Nghiên cứu công nghệ FPGA của Xilinx, công nghệ cấu hình lại từng phần động của
FPGA để phát triển nền tảng phần cứng có khả năng cấu hình lại được lớp truyền thông
hoặc lớp tính toán.
(iii) Nghiên cứu bài toán ánh xạ các ứng dụng động có thể điều chỉnh mức chất lượng vào
nền tảng phần cứng đa lõi cấu hình lại được dựa trên NoC với giả thiết kiến trúc lớp
truyền thông là cố định và chỉ cấu hình lại lớp tính toán (các PE) của NoC để thích nghi
với sự chuyển đổi từ ứng dụng này đến ứng dụng khác lên nền tảng phần cứng hoặc sự
thay đổi mức chất lượng của các ứng dụng. Ngoài ra, luận án cũng chỉ tập trung vào
nghiên cứu mô hình ứng dụng dưới dạng đồ thị tác vụ.
Phương pháp nghiên cứu
Đầu tiên, phương pháp điều tra và phân tích dựa trên sách, tạp chí và các nguồn tài liệu khác từ
Internet sẽ được sử dụng. Các ưu điểm và hạn chế của các vấn đề nghiên cứu liên quan đến luận án
sẽ được chỉ ra. Từ đó, tác giả sẽ đề xuất một số mô hình và thuật toán cho vấn đề nghiên cứu.
Cuối cùng, tính chính xác và đúng đắn của các mô hình và thuật toán đã đề xuất sẽ được kiểm
chứng và phân tích bằng mô phỏng phần mềm và thực nghiệm trên các thiết bị thực tế.
3. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án bao gồm ba chương: Chương 1 trình bày lý thuyết liên quan đến các nội
dung nghiên cứu của luận án. Chương 2 phát triển nền tảng phần cứng cấu hình lại được cho NoC.
Chương 3 triển khai các ứng dụng có thể điều chỉnh mức chất lượng vào nền tảng cấu hình lại được
dựa trên NoC tại thời gian chạy.
CHƢƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Lý thuyết về mạng trên chip
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ bán dẫn và công nghệ nano, số lượng các ứng
dụng được tích hợp lên chip ngày càng tăng. Kiến trúc Bus và kết nối điểm-điểm truyền thống
không còn đáp ứng được yêu cầu này vì chúng có một số hạn chế trong khả năng mở rộng, khả
năng sử dụng lại các IP, đồng bộ, v.v. [35, 55]. Kiến trúc NoC đã được đề xuất và xem như một giải
pháp thay thế cho kiến trúc Bus và kết nối điểm-điểm. Kiến trúc NoC cung cấp một cơ sở hạ tầng
truyền thông có hiệu năng cao, thích hợp cho việc tích hợp một số lượng lớn các lõi IP lên một SoC
[9, 50]. Do vậy, NoC được đề xuất như là một giải pháp cho truyền thông giữa các IP trong thiết kế
các SoC phức tạp. Ý tưởng xây dựng NoC bắt nguồn từ mô hình mạng máy tính đã được phát triển
trong lịch sử của hệ thống máy tính. Hình 1.1 mô tả một NoC điển hình dạng lưới hai chiều 3x3.
Tiếp theo, các thuật ngữ thường được sử dụng trong NoC sẽ được trình bày.
Tài nguyên (Resource) hay lõi IP (IP core) hoặc PE (Processing Element): Là các khối logic
thực hiện xử lý dữ liệu trong mạng. Khối logic này có thể là một lõi vi xử lý, một bộ biến đổi FFT
(Fast Fourier Transform), một lõi xử lý DSP (Digital Signal Processor), v.v.
Bộ giao tiếp mạng (NI: Network Interface): Là khối logic làm nhiệm vụ kết nối tài nguyên vào
mạng tại các vị trí giao diện dữ liệu vào ra của bộ định tuyến. Do sự khác biệt về kích thước dữ liệu,
giao diện tín hiệu điều khiển của các tài nguyên với mạng, bộ giao tiếp mạng có thể thay đổi tùy
theo tài nguyên được kết nối với mạng.
Bộ định tuyến (Router): Là khối logic thực hiện chức năng định tuyến, điều khiển luồng cho
dòng dữ liệu trong mạng. Đóng vai trò là hạt nhân trong NoC với mỗi mô hình NoC khác nhau, bộ