Reduzindo o consumo de potência em redes intra-chip através de esquemas de codificação de dados.

Abstract

O consumo de potência em uma Rede Intra-Chip (em inglês, Network-on-Chip – NoC) cresce linearmente com a quantidade de transições de sinais nos pacotes transmitidos através da infra-estrutura de interconexão. Uma forma de minimizar o consumo de potência em um sistema baseado em NoC é reduzir a atividade de transição de sinais nas portas de entrada dos módulos que constituem a NoC. Esta redução pode ser obtida através da utilização de esquemas de codificação de dados. Vários esquemas de codificação foram propostos no final dos anos 90, porém direcionados a arquiteturas de comunicação baseadas em barramentos. Este trabalho investiga a utilização destes esquemas de codificação em sistemas baseados em Networks-on-Chip. Dentre os esquemas encontrados na literatura, quatro foram implementados e avaliados neste trabalho. Este trabalho também apresenta como contribuição original um novo esquema de codificação de dados adequado a NoCs. A estimativa do consumo de potência da NoC é calculada com base em macromodelos que reproduzem a potência consumida em cada módulo interno da NoC, de acordo com a atividade de transição de sinais no tráfego recebido. Estes macromodelos são aqui caracterizados através da simulação elétrica de cada módulo da NoC e dos esquemas de codificação. Para permitir a análise de consumo com tráfegos de aplicações reais, os macromodelos são inseridos em um modelo de mais alto nível de abstração. Este modelo é empregado para analisar o balanço entre redução de potência obtida com a redução da transição de sinais e o consumo extra do esquema de codificação. A maioria dos esquemas de codificação encontrados na literatura reduz efetivamente a atividade de transição de sinais. Porém, o impacto do consumo extra de potência para codificar e decodificar os dados não é avaliado. A avaliação conduzida neste trabalho considera o consumo da codificação/decodificação em uma NoC real, quantificando a redução de consumo obtido com cada esquema de codificação. Devido ao baixo desempenho dos esquemas de codificação existentes, quando aplicados a NoCs, foi desenvolvido um novo esquema, chamado T-Bus-Invert. Os resultados mostram um desempenho superior do T-Bus-Invert quando comparado aos demais esquemas para flits com largura de 8 e 16 bits, e um desempenho similar ao do Bus-Invert com 4 clusters para flits de 32 bits.

The power consumption in Networks-on-Chip grows linearly with the amount of signal transitions in successive data packets sent through this interconnection infrastructure. One option to decrease the power consumption in NoC-based systems is reducing the switching activity at the input ports of NoC modules. This reduction can be achieved by means of data coding schemes. Several schemes were proposed in the nineties. However, all of them address only bus-based communication architectures. This work investigates the use of such data coding schemes in NoC-based systems. Among the coding schemes found in the literature, four were implemented and evaluated in this work. This work also presents a new data coding scheme, named TBus- Invert, suitable for NoCs. Estimations of the NoC power consumption are computed here based on macromodels which reproduce the power consumption on each internal NoC module, according to the transition activity in the input traffic. Such macromodels are characterized through electrical simulations of each NoC module and coding circuits. To enable the evaluation of real applications traffic, such macromodels are inserted in a higher abstraction level model. This model is employed to analyze the trade-off between the power saving due to coding schemes versus the power consumption overhead due to the encoding and decoding modules. Most of the coding schemes proposed in the literature effectively reduce the switching activity, but the overall impact of the power consumption to encode/decode data in the system is not evaluated. The evaluation conducted in this work considers the power consumption to encode/decode data in a real NoC, quantifying the power savings for each coding scheme. Due to the insufficient performances of the existing schemes when applied to NoCs, a coding scheme, T-Bus-Invert, was developed. Results showed superior performance of the T-Bus-Invert compared to all evaluated coding schemes for 8 and 16-bit flits, and similar performance to the 4-cluster Bus-Invert for 32-bit flits.