Head-of-Line Blocking Reduction in Power-Efficient Networks-on-Chip

Abstract

Nowadays, thanks to the continuous improvements in the integration scale, more and more cores are added on the same chip, leading to higher system performance. In order to interconnect all nodes, a network-on-chip (NoC) is used, which is in charge of delivering data between cores. However, increasing the number of cores leads to a significant power consumption increase, leading the NoC to be one of the most expensive components in terms of power. Because of this, during the last years, several mechanisms have been proposed to address the NoC power consumption by means of DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) and power-gating strategies. Nevertheless, improvements achieved by these mechanisms are achieved, to a greater or lesser extent, at the cost of system performance, potentially increasing the risk of saturating the network by forming congested points which, in turn, compromise the rest of the system functionality. One side effect is the creation of the "Head-of-Line blocking" effect where congested packets at the head of queues prevent other non-blocked packets from advancing. To address this issue, in this thesis, on one hand, we propose novel congestion control techniques in order to improve system performance by removing the "Head-of-Line" blocking effect. On the other hand, we propose combined solutions adapted to DVFS in order to achieve improvements in terms of performance and power. In addition to this, we propose a path-aware power-gating-based mechanism, which is capable of detecting the flows sharing buffer resources along data paths and perform to switch them off when not needed. With all these combined solutions we can significantly reduce the power consumption of the NoC when compared with state-of-the-art proposals.

Hoy en día, gracias a las mejoras en la escala de integración cada vez se integran más y más núcleos en un mismo chip, mejorando así sus prestaciones. Para interconectar todos los nodos dentro del chip se emplea una red en chip (NoC, Network-on-Chip), la cual es la encargada de intercambiar información entre núcleos. No obstante, aumentar el número de núcleos en el chip también conlleva a su vez un importante incremento en el consumo de la NoC, haciendo que ésta se convierta en una de las partes más caras del chip en términos de consumo. Por ello, en los últimos años se han propuesto diversas técnicas de ahorro de energía orientadas a reducir el consumo de la NoC mediante el uso de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrategias basadas en "power-gating". Sin embargo, éstas mejoras de consumo normalmente se obtienen a costa de sacrificar, en mayor o menor medida, las prestaciones del sistema, aumentado potencialmente así el riesgo de saturar la red, generando puntos de congestión que, a su vez, comprometen el rendimiento del resto del sistema. Un efecto colateral es el "Head-of-Line blocking", mediante el que paquetes congestionados en la cabeza de la cola impiden que otros paquetes no congestionados avancen. Con el fin de solucionar este problema, en ésta tesis, en primer lugar, proponemos técnicas novedosas de control de congestión para incrementar el rendimiento del sistema mediante la eliminación del "Head-of-Line blocking", mientras que, por otra parte, proponemos soluciones combinadas adaptadas a DVFS con el fin de conseguir mejoras en términos de rendimiento y energía. Además, proponemos una técnica de "power-gating" orientada a rutas de datos, la cual es capaz de detectar flujos de datos compartiendo recursos a lo largo de rutas y apagar dichos recursos de forma dinámica cuando no son necesarios. Con todas éstas soluciones combinadas podemos reducir el consumo de energía de la NoC en comparación con otras técnicas presentes en el estado del arte.

Hui en dia, gr\`acies a les millores en l'escala d'integraci\'o, cada vegada s'integren m\'es i m\'es nuclis en un mateix xip, la qual cosa millora les seues prestacions. Per tal d'interconectar tots els nodes dins el xip es fa \'us d'una Xarxa en Xip (NoC; Network-on-Chip), la qual \'es l'encarregada d'intercanviar informaci\'o entre els nuclis. No obstant aix\`o, incrementar el nombre de nuclis en el xip tamb\'e comporta un important augment en el consum de la NoC, la qual cosa fa que aquesta es convertisca en una de les parts m\'es costoses del xip en termes de consum. Per aix\`o, en els \'ultims anys s'han proposat diverses t\`ecniques d'estalvi d'energia orientades a reduir el consum de la NoC mitjançant l'\'us de DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) o estrat\`egies basades en ``power-gating''. Malgrat aix\`o, aquestes millores en les prestacions normalment s'obtenen a costa de sacrificar, en major o menor mesura, les prestacions del sistema i augmenta aix\'i el risc de saturar la xarxa al generar-se punts de congesti\'o, que al mateix temps, comprometen el rendiment de la resta del sistema. Un efecte col-lateral \'es el ``Head-of- Line blocking'', mitjançant el qual, els paquets congestionats al cap de la cua, impedixen que altres paquets no congestionats avancen. A fi de solucionar eixe problema, en aquesta tesi, en primer lloc, proposem noves t\`ecniques de control de congesti\'o amb l'objectiu d'incrementar el rendiment del sistema per mitj\`a de l'eliminaci\'o del ``Head-of- Line blocking'', i d'altra banda, proposem solucions combinades adaptades a DVFS amb la finalitat d'aconseguir millores en termes de rendiment i energia. A m\'es, proposem una t\`ecnica de ``power-gating'' orientada a rutes de dades, la qual \'es capa\c c de detectar fluxos de dades al compartir recursos al llarg de les rutes i apagar eixos recursos de forma din\`amica quan no s\'on necessaris. Amb totes aquestes solucions combinades podem reduir el consum d'energia de la NoC en comparaci\'o amb altres t\`ecniques presents en l'estat de l'art.