شبکه درون یک تراشه

شبکه درون تراشه‌ای یا شبکه بروی تراشه (ناک (NOC یا NoC)) یک زیرسیستم ارتباطی درون یک مدار مجتمع (که به‌طور معمول یک «تراشه» نامیده می‌شود) است که نوعاً ارتباط بین هسته‌های IP در یک سیستم درون یک تراشه (ساک SoC) را فراهم می‌سازد. ناک‌ها می‌توانند دامنه‌های ساعت هم‌زمان و ناهمزمان را پوشش دهند یا منطق ناهمزمان بدون ساعت را استفاده کنند. تکنولوژی ناک تئوری شبکه و روش‌های ارتباط درون تراشه‌ای را به کار می‌برد و پیشرفتهای قابل توجه‌ای را نسبت به اتصالات بر پایه گذرگاه و کراسبار (crossbar) اولیه به همراه می‌آورد. ناک مقیاس‌پذیری ساک‌ها را بهبود می‌دهد و استفاده از انرژی در ساک‌های پیچیده را نسبت به طرح‌های دیگر بهینه می‌سازد.

 مدل 
شبکه درون تراشه‌ای مدلی نوظهور برای ارتباطات درون سیستم‌های وی‌اِل‌اِس‌آی بزرگ پیاده‌سازی شده بر روی یک تراشه سیلیکونی است. پژوهشگری (Sgroi) و همکارانش "راه حل پشته-لایه‌ای برای طراحی ارتباطات بین هسته ای درون-تراشه را متد شبکه–درون-تراشه (ناک)" می‌نامند. در یک سیستم ناک پیمانه‌ها مانند هسته‌های پردازشگر، حافظه‌ها و بلوک‌های IP ویژه با استفاده از یک شبکه مانند یک زیرسیستم «حمل و نقل عمومی» برای ترافیک اطلاعات، داده را رد و بدل می‌کنند. یک ناک از چندین لینک داده نقطه-به-نقطه که با استفاده از سوئیچ‌ها (مسیریاب‌ها) به هم متصل می‌شوند، ساخته می‌شود به این‌گونه که پیامها می‌توانند از هر پیمانه منبع به هر پیمانه مقصد از راه چندین لینک با استفاده از تصمیم‌های مسیریابی در سوئیچ‌ها انتقال یابند. یک ناک شبیه به شبکه مخابراتی مدرن با استفاده از سوئیچینگ بیت-بسته دیجیتال در طول لینکهای مالتی‌پلکس شده می‌باشد. هرچند راه‌گزینی بسته کوچک گاهی برای یک ناک لازم فرض می‌شود، چندین طرح پیشنهادی ناک با استفاده از روش‌های کلید الکترونیکی مداری وجود دارد. این تعریف بر پایه مسیریاب‌ها معمولاً این‌گونه تفسیر می‌شود که یک گذرگاه اشتراکی تنها، یک سوئیچ کراسبار تنها یا یک شبکه نقطه-به-نقطه، ناک محسوب نمی‌شوند اما به‌طور عملی تمام توپولوژی‌های دیگر ناک محسوب می‌شوند. این تعریف تا حدی گیج‌کننده است زیرا همه موارد ذکر شده شبکه هستند (آن‌ها ارتباط بین دو یا بیشتر از دو وسیله را فراهم می‌سازند) اما آن‌ها به عنوان روش‌های شبکه-درون-تراشه در نظر گرفته نمی‌شوند.

 موازی‌سازی و مقیاس‌پذیری 
سیم‌ها در لینک‌های ناک توسط بسیاری از سیگنال‌ها به اشتراک گذاشته می‌شوند. سطح بالایی از موازی‌سازی به دست می‌آید زیرا همه لینک‌ها در ناک می‌توانند به‌طور هم‌زمان روی بسته‌های داده مختلف کار کنند؛ بنابراین همانگونه که سیستم‌های مجتمع پیچیده‌تر می‌شوند یک ناک کارکرد بهتری (مانند توان) و مقیاس‌پذیری در مقایسه با معماریهای ارتباطی پیشین (مانند سیم‌های سیگنال نقطه-به-نقطه ویژه، گذرگاه‌های اشتراکی یا گذرگاه‌های بخش‌بندی شده با پل‌ها) را فراهم می‌سازد. البته الگوریتم‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که موازی‌سازی بیشتری را فراهم آورند و بتوانند استفاده بهتری از ویژگی‌های ناک را به همراه آورند.

 مزایای استفاده از ناک‌ها 
به‌طور سنتی مدارهای مجتمع با اتصالات نقطه-به-نقطه ویژه همراه با سیمی مخصوص برای هر سیگنال طراحی شده‌اند. به ویژه برای طراحی‌های بزرگ این‌گونه اتصالات از دیدگاه طراحی فیزیکی محدودیت‌هایی را به همراه می‌آورد. سیم‌ها بیشتر فضای تراشه را اشغال می‌کنند و در تکنولوژی CMOS نانومتری، اتصال‌ها کارکرد و اتلاف انرژی دینامیک را تحت تأثیر قرار می‌دهند چرا که انتشار سیگنال در سیم‌ها در طول تراشه به چندین سیکل ساعت نیازمند است. (قانون Rent را برای بحثی پیرامون نیازمندی‌های سیم کشی برای اتصال‌های نقطه-به-نقطه ببینید).

لینک‌های ناک می‌توانند پیچیدگی طراحی سیم‌ها برای سرعت قابل پیش‌بینی، انرژی، نویز، اتکاپذیری و غیره را کاهش دهند. چرا که ساختار منظم و کنترل شده‌ای دارند. از دیدگاه طراحی سیستم با پیدایش سیستم‌های پردازشگر چند هسته ای، یک شبکه یک گزینه معماری طبیعی می‌باشد. یک ناک می‌تواند بخش‌های محاسباتی و ارتباطی را از هم گسسته سازد، از طراحی پیمانه‌ای و بازاستفاده ازIP از راه واسط‌های استاندارد پشتیبانی کند، مشکلات هم‌زمان‌سازی را حل کند، به عنوان بستری برای سنجش سیستم استفاده شود و بنابراین سودمندی مهندسی را افزایش دهد.

 پژوهش دربارهٔ شبکه‌های درون-تراشه 
هرچند ناک‌ها می‌توانند مفاهیم و تکنیک‌هایی را از دامنه تثبیت شده شبکه‌های کامپیوتری وام بگیرند، امابازاستفاده کورکورانه از ویژگی‌های شبکه‌های کامپیوتری کلاسیک و چندپردازشگرهای متقارن عملی نمی‌باشد. به ویژه سوئیچ‌های ناک باید کوچک باشند، مصرف انرژی بهینه داشته باشند و سریع باشند. چشم پوشی از این موارد همراه با مقایسه کمی و مناسب نوعاً برای پژوهش دربارهٔ ناک ابتدایی بود اما این روزها موارد ذکر شده با جزئیات بیشتری در نظر گرفته می‌شوند. الگوریتم‌های مسیریابی باید با منطق ساده پیاده‌سازی شوند و تعداد بافرهای داده باید کوچک باشد. هم‌بندی شبکه و ویژگی‌ها می‌توانند مناسب کاربردی خاص باشند.

برخی پژوهشگران فکر می‌کنند که ناک‌ها نیاز به پشتیبانی از کیفیت خدمات (QoS) دارند، بدین معنا که نیازهای گسترده‌ای همچون توان، تأخیر انتها-به-انتها و ضرب الاجل‌ها را پوشش دهند. محاسبات هم‌زمان شامل بازنواخت صوتی و تصویری، دلیلی بر فراهم آوردن پشتیبانی از QoSاست. هرچند پیاده‌سازی‌های سیستم‌های رایج مانندRTLinux , VxWorks یا QNX قادر به دستیابی به محاسبات هم‌زمان میلی‌ثانیه ای بدون سخت‌افزار رایانه ویژه هستند. نیاز به گفتن است که برای بسیاری از کاربردهای همزمان، کیفیت خدمات ساختار اتصال درون- تراشه موجود کافی می‌باشد و سخت‌افزار ویژه برای دستیابی به دقت میکروثانیه‌ای لازم است، دقتی که به ندرت در عمل برای کاربرهای نهایی نیاز است (جیتر صدا یا تصویر تنها به گارانتی تأخیر یک دهم میلی‌ثانیه نیاز دارد). انگیزه دیگر برای کیفیت خدمات سطح ناک، پشتیبانی از چندین کاربر همروند است که دارای منابع مشترک یک تراشه چند پردازشگر در یک ساختار رایانش ابری عمومی هستند. در چنین مواردی منطق QoS سخت‌افزاری فراهم آورنده خدمات برای ساختن گارانتی‌های عملیاتی در سطح خدماتی که یک کاربر دریافت می‌کند را توانا می‌سازد، یک ویژگی که از دید برخی از مشتری‌های دولتی یا شرکت‌ها مطلوب پنداشته می‌شود.

تا امروز چندین نمونه اولیه ناک در صنعت و دانشگاه طراحی و آنالیز شده‌اند اما تنها تعداد کمی بر روی سیلیکون پیاده‌سازی شده‌اند. هرچند بسیاری از مشکلات پژوهشی چالش‌برانگیز برای حل در تمام سطوح باقی می‌مانند، از سطح پیوند فیزیکی تا سطح شبکه و تمام مراحل تا معماری سیستم و نرم‌افزار کاربردی. اولین سمپوزیوم پژوهشی ویژه دربارهٔ شبکه‌های درون تراشه‌ای در دانشگاه پرینستون در مه ۲۰۰۷ برگزار شد.NoCS 2007  website
دومین سمپوزیوم بین‌المللی IEEE دربارهٔ شبکه های-درون-تراشه در آوریل ۲۰۰۸ در دانشگاه نیوکاسل برگزار شد.On-Chip Networks Bibliography

پژوهش دربارهٔ وسایل و موجبرهای نوری مجتمع شامل یک شبکه نوری درون یک تراشه انجام شده است (ONoC).

 ترازسنجی ناک 
پیشرفت و ارزیابی ناک نیازمند مقایسه طرح‌ها و گزینه‌های پیشنهادی می‌باشد. الگوهای ترافیک ناک برای کمک به چنین ارزیابی‌هایی به وجود می‌آیند. ترازسنج‌های ناک موجود شامل NoCBench و MCSL NoC Traffic Patterns می‌باشند.

 فراهم آورندگان تجاری راه حل‌های مبتنی بر ناک 
 NetSpeed Systems
 Arteris
 Sonics

 جستارهای وابسته 
 خودکارسازی طراحی الکترونیکی
 طراحی مدار مجتمع
 کودا
 ناهمزمان سراسری به صورت محلی همزمان
 معماری شبکه

 پانویس 

 پیوند به بیرون 
 DATE 2006 workshop on NoC
 NoCS 2007 - The 1st ACM/IEEE International Symposium on Networks-on-Chip
 NoCS 2008 - The 2nd IEEE International Symposium on Networks-on-Chip
 Cristian Grecu, Andrè Ivanov, Partha Pande, Axel Jantsch, Erno Salminen, Umit Ogras, Radu Marculescu, An Initiative towards Open Network-on-Chip Benchmarks, OCP-Ip white paper, 2007, [Online] http://www.ocpip.org/uploads/documents/NoC-Benchmarks-WhitePaper-15.pdf


رده:خودکارسازی طراحی الکترونیکی
رده:رایانش موازی
رده:شبکه رایانه
رده:شتاب‌دهنده سخت‌افزاری
رده:مدارهای مجتمع
رده:مدارهای مخابراتی
رده:مدولار بودن
رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:نظریه شبکه