Broadcast-oriented wireless network-on-chip : fundamentals and feasibility
Authors:   , Abadal Cavallé Sergi 
Published: July 2023

Recent years have seen the emergence and ubiquitous adoption of Chip Multiprocessors (CMPs), which rely on the coordinated operation of multiple execution units or cores. Successive CMP generations integrate a larger number of cores seeking higher performance with a reasonable cost envelope. For this trend to continue, however, important scalability issues need to be solved at different levels of design. Scaling the interconnect fabric is a grand challenge by itself, as new Network-on-Chip (NoC) proposals need to overcome the performance hurdles found when dealing with the increasingly variable and heterogeneous communication demands of manycore processors. Fast and flexible NoC solutions are needed to prevent communication become a performance bottleneck, situation that would severely limit the design space at the architectural level and eventually lead to the use of software frameworks that are slow, inefficient, or less programmable.

The emergence of novel interconnect technologies has opened the door to a plethora of new NoCs promising greater scalability and architectural flexibility. In particular, wireless on-chip communication has garnered considerable attention due to its inherent broadcast capabilities, low latency, and system-level simplicity. Most of the resulting Wireless Network-on-Chip (WNoC) proposals have set the focus on leveraging the latency advantage of this paradigm by creating multiple wireless channels to interconnect far-apart cores. This strategy is effective as the complement of wired NoCs at moderate scales, but is likely to be overshadowed at larger scales by technologies such as nanophotonics unless bandwidth is unrealistically improved.

This dissertation presents the concept of Broadcast-Oriented Wireless Network-on-Chip (BoWNoC), a new approach that attempts to foster the inherent simplicity, flexibility, and broadcast capabilities of the wireless technology by integrating one on-chip antenna and transceiver per processor core. This paradigm is part of a broader hybrid vision where the BoWNoC serves latency-critical and broadcast traffic, tightly coupled to a wired plane oriented to large flows of data. By virtue of its scalable broadcast support, BoWNoC may become the key enabler of a wealth of unconventional hardware architectures and algorithmic approaches, eventually leading to a significant improvement of the performance, energy efficiency, scalability and programmability of manycore chips.

The present work aims not only to lay the fundamentals of the BoWNoC paradigm, but also to demonstrate its viability from the electronic implementation, network design, and multiprocessor architecture perspectives. An exploration at the physical level of design validates the feasibility of the approach at millimeter-wave bands in the short term, and then suggests the use of graphene-based antennas in the terahertz band in the long term. At the link level, this thesis provides an insightful context analysis that is used, afterwards, to drive the design of a lightweight protocol that reliably serves broadcast traffic with substantial latency improvements over state-of-the-art NoCs. At the network level, our hybrid vision is evaluated putting emphasis on the flexibility provided at the network interface level, showing outstanding speedups for a wide set of traffic patterns. At the architecture level, the potential impact of the BoWNoC paradigm on the design of manycore chips is not only qualitatively discussed in general, but also quantitatively assessed in a particular architecture for fast synchronization. Results demonstrate that the impact of BoWNoC can go beyond simply improving the network performance, thereby representing a possible game changer in the manycore era.

Avenços en el disseny de multiprocessadors han portat a una àmplia adopció dels Chip Multiprocessors (CMPs), que basen el seu potencial en la operació coordinada de múltiples nuclis de procés. Generacions successives han anat integrant més nuclis en la recerca d'alt rendiment amb un cost raonable. Per a que aquesta tendència continuï, però, cal resoldre importants problemes d'escalabilitat a diferents capes de disseny. Escalar la xarxa d'interconnexió és un gran repte en ell mateix, ja que les noves propostes de Networks-on-Chip (NoC) han de servir un tràfic eminentment variable i heterogeni dels processadors amb molts nuclis. Són necessàries solucions ràpides i flexibles per evitar que les comunicacions dins del xip es converteixin en el pròxim coll d'ampolla de rendiment, situació que limitaria en gran mesura l'espai de disseny a nivell d'arquitectura i portaria a l'ús d'arquitectures i models de programació lents, ineficients o poc programables. L'aparició de noves tecnologies d'interconnexió ha possibilitat la creació de NoCs més flexibles i escalables. En particular, la comunicació intra-xip sense fils ha despertat un interès considerable en virtut de les seva baixa latència, simplicitat, i bon rendiment amb tràfic broadcast. La majoria de les Wireless NoC (WNoC) proposades fins ara s'han centrat en aprofitar l'avantatge en termes de latència d'aquest nou paradigma creant múltiples canals sense fils per interconnectar nuclis allunyats entre sí. Aquesta estratègia és efectiva per complementar a NoCs clàssiques en escales mitjanes, però és probable que altres tecnologies com la nanofotònica puguin jugar millor aquest paper a escales més grans. Aquesta tesi presenta el concepte de Broadcast-Oriented WNoC (BoWNoC), un nou enfoc que intenta rendibilitzar al màxim la inherent simplicitat, flexibilitat, i capacitats broadcast de la tecnologia sense fils integrant una antena i transmissor/receptor per cada nucli del processador. Aquest paradigma forma part d'una visió més àmplia on un BoWNoC serviria tràfic broadcast i urgent, mentre que una xarxa convencional serviria fluxos de dades més pesats. En virtut de la escalabilitat i del seu suport broadcast, BoWNoC podria convertir-se en un element clau en una gran varietat d'arquitectures i algoritmes poc convencionals que milloressin considerablement el rendiment, l'eficiència, l'escalabilitat i la programabilitat de processadors amb molts nuclis. El present treball té com a objectius no només estudiar els aspectes fonamentals del paradigma BoWNoC, sinó també demostrar la seva viabilitat des dels punts de vista de la implementació, i del disseny de xarxa i arquitectura. Una exploració a la capa física valida la viabilitat de l'enfoc usant tecnologies longituds d'ona milimètriques en un futur proper, i suggereix l'ús d'antenes de grafè a la banda dels terahertz ja a més llarg termini. A capa d'enllaç, la tesi aporta una anàlisi del context de l'aplicació que és, més tard, utilitzada per al disseny d'un protocol d'accés al medi que permet servir tràfic broadcast a baixa latència i de forma fiable. A capa de xarxa, la nostra visió híbrida és avaluada posant èmfasi en la flexibilitat que aporta el fet de prendre les decisions a nivell de la interfície de xarxa, mostrant grans millores de rendiment per una àmplia selecció de patrons de tràfic. A nivell d'arquitectura, l'impacte que el concepte de BoWNoC pot tenir sobre el disseny de processadors amb molts nuclis no només és debatut de forma qualitativa i genèrica, sinó també avaluat quantitativament per una arquitectura concreta enfocada a la sincronització. Els resultats demostren que l'impacte de BoWNoC pot anar més enllà d'una millora en termes de rendiment de xarxa; representant, possiblement, un canvi radical a l'era dels molts nuclis