Tesis por compendio / La red en el chip (NoC) se han convertido en el elemento clave para la comunicación eficiente entre los núcleos dentro de los chip multiprocesador (CMP). Tanto el uso de aplicaciones paralelas en los CMPs como el incremento de la cantidad de memoria necesitada por las aplicaciones, ha impulsado que la red de comunicación gane una mayor importancia. La NoC es la encargada de transportar toda la información requerida por los núcleos. Además, el incremento en el número de núcleos en los CMPs impulsa las NoC a ser diseñadas de forma escalable, pero al mismo tiempo sin que esto afecte a las prestaciones de la red (latencia y productividad). Por tanto, el diseño de la red en el chip se convierte en crítico. Esta tesis presenta diferentes propuestas que atacan el problema de la mejora de las prestaciones de la red en tres escenarios distintos. Los tres escenarios en los que se centran nuestras propuestas son: 1) NoCs que implementan un algoritmo de encaminamiento adaptativo, 2) escenarios con necesidad de tiempos de acceso a memoria bajos y 3) sistemas con previsión de seguridad a nivel de aplicación. Las primeras propuestas se centran en el aumento de la productividad en la red utilizando algoritmos de encaminamiento adaptativos mediante un mejor uso de los recursos de la red, primera propuesta SUR, y evitando que se ramifique la congestión cuando existe tráfico intenso hacia un único destinatario, segunda propuesta EPC. La tercera y principal contribución de esta tesis se centra la problemática de reducir el tiempo de acceso a memoria. PROSA, mediante un diseño híbrido de conmutación de paquete y conmuntación de circuito, permite reducir la latencia de la red aprovechando la latencia de acceso a memoria para establecer circuitos. De esta forma cuando la información llega a la NoC, esta es servida sin retardos. Por último, la propuesta Token Based TDM se centra en el escenario con redes de interconexión seguras. En este tipo de NoC las aplicaciones esta divididas en dominios y la red debe garantizar que no existen interferencias entre los diferentes dominios para evitar de este modo la intrusión de posibles aplicaciones maliciosas. Token-based TDM permite el aislamiento de los dominios sin tener impacto en el diseño de los conmutados de la NoC. Los resultados obtenidos demuestran como estas propuestas han servido para mejorar las prestaciones de la red en los diferentes escenarios. La implementación y la simulación de las propuestas muestra como mediante el balanceado de la utilización de los recursos de la red, los CMPs con algoritmos de encaminamiento adaptativos son capaces de aumentar el tráfico soportado por la red. Además, el uso de un filtro para limitar el encaminamiento adaptativo en situaciones de congestión previene a los mensajes de la ramificación de la congestión a lo largo de la red. Por otra parte, los resultados demuestran que el uso combinado de la conmutación de paquete y conmutación de circuito reduce muy significativa de la latencia de red acceso a memoria, contribuyendo a una reducción significativa del tiempo de ejecución de la aplicación. Por último, Token-Based TDM incrementa las prestaciones de las redes TDM debido a su alta flexibilidad dado que no requiere ninguna modificación en la red para soportar una cantidad diferente de dominios mientras mejora la latencia de la red y mantiene un aislamiento perfecto entre los tráficos de las aplicaciones. / The Network on Chip (NoC) has become the key element for an efficient communication between cores within the multiprocessor chip (CMP). The use of parallel applications in CMPs and the increase in the amount of memory needed by applications have pushed the network communication to gain importance. The NoC is in charge of transporting all the data needed by the processors cores. Moreover, the increase in the number of cores pushes the NoCs to be designed in a scalable way, but at the same time, without affecting network performance (latency and productivity). Thus, network-on-chip design becomes critical. This thesis presents different proposals that attack the problem of improving the network performance in three different scenarios. The three scenarios in which our proposals are focused are: 1) NoCs with an adaptive routing algorithm, 2) scenarios with low memory access time needs, and 3) high-assurance NoCs. The first proposals focus on increasing network throughput with adaptive routing algorithms via the improvement of the network resources utilization, the first proposal SUR, and avoiding congestion spreading when an intense traffic to a single destination occurs, second proposal ECP. The third one and main contribution of this thesis focuses on the problem of reducing memory access latency. PROSA, through a hybrid circuit-packet switching architecture design, reduces the network latency by getting benefit of the memory access latency slack and to establishing circuits during that delay. In this way the information when arrives to the NoC is served without any delay. Finally, the proposal Token-Based TDM focuses on the scenario with high assurance networks on chips. In this type of NoCs the applications are divided into domains and the network must guarantee that there are no interferences between the different domains avoiding this way intrusion of possible malicious applications. Token-based TDM allows domain isolation with no design impact on NoC routers. The results show how these proposals improve the performance of the network in each different scenario. The implementation and simulations of the proposals show the efficient use of network resources in CMPs with adaptive routing algorithms which leads to an increasement of the injected traffic supported by the network. In addition, using a filter to limit the adaptivity of the routing algorithm under congested situations prevents messages from spreading the congestion along the network. On the other hand, the results show that the combined use of circuit and packet switching reduces the memory access latency significantly, contributing to a significant reduction in application execution time. Finally, Token-Based TDM increases network performance of TDM networks due to its high flexibility and efficient arbitration. Moreover, Token-Based TDM does not require any modification in the network to support a different number of domains while improving latency and keeping a strong traffic isolation from different domains. / La xarxa en el xip (NoC) s'ha convertit en un element clau per a una comunicació eficient entre els diferents nuclis dins d'un xip multiprocessador (CMP). Tant la utilització d'aplicacions paral·leles en el CMP com l'increment de la quantitat de memòria necessitada per les aplicacions, hi ha produït que la xarxa de comunicació tinga una major importància. La NoC és l'encarregada de transportar tota la informació necessària pels nuclis. A més, l'increment del nombre de nuclis dins del CMP fa que la NoC haja de ser dissenyada d'una forma escalable, sense que afecte les prestacions de la xarxa (latència i productivitat). Per tant, el disseny de la xarxa en el xip es converteix crític. Aquesta tesi presenta diferents propostes que ataquen el problema de la millora de les prestacions de la xarxa en tres escenaris distints. Els tres escenaris en els quals se centren les nostres propostes són: 1) NoCs que implementen un algoritme d'encaminament adaptatiu, 2) escenaris amb necessitat de temps baix d'accés a memòria i 3) sistemes amb previsió de seguretat en l'àmbit d'aplicació. Les primeres propostes se centren en l'augment de la productivitat en la xarxa utilitzant algoritmes d'encaminament adaptatiu mitjançant una millor utilització dels recursos de la xarxa, primera proposta SUR, i evitant que es ramifique la congestió quan existeix un trànsit intens cap a un únic destinatari, segona proposta EPC. La tercera i principal contribució d'aquesta tesi es basa en la problemàtica de reduir el temps d'accés a memòria. PROSA, mitjançant un disseny híbrid de commutació de paquet i commutació de circuit, redueix la latència de la xarxa aprofitant la latència d'accés a memòria i establint els circuits durant aquesta latència. D'aquesta forma la informació quan arriba a la NoC pot ser enviada sense cap retràs. Per últim, la proposta Token-based TDM se centra en l'escenari amb xarxes d'interconnexió d'alta seguretat. En aquest tipus de NoC les aplicacions estan dividides en dominis i la xarxa deu garantir que no existeixen interferències entre els diferents dominis per a evitar d'aquesta forma la intrusió de possibles aplicacions malicioses. Token-based TDM permet l'aïllament dels dominis sense tindre impacte en el disseny dels encaminadors de la NoC. Els resultats demostren com aquestes propostes han servit per a millorar les prestacions de la xarxa en els diferents escenaris. La seua implementació i simulació demostra com mitjançant el balancejat de la utilització dels recursos de la xarxa, els CMP amb algoritmes d'encaminament adaptatiu són capaços d'augmentar el trànsit suportat per la xarxa. A més, l'ús d'un filtre per a limitar l'adaptabilitat de l'encaminament adaptatiu en situacions de congestió permet prevenir els missatges de la congestió al llarg de la xarxa. Per altra banda, els resultats demostren que l'ús combinat de la commutació de paquet i commutació de circuit redueix molt significativament de la latència d'accés a memòria, contribuint en una reducció significativa del temps d'execució de l'aplicació. Per últim, Token-based TDM incrementa les prestacions de les xarxes TDM debut a la seua alta flexibilitat donat que no requereix cap modificació en la xarxa per a suportar una quantitat diferent de dominis mentre millora la latència de la xarxa i mantén un aïllament perfecte entre els trànsits de les aplicacions. / Gorgues Alonso, M. (2018). Improving Network-on-Chip Performance in Multi-Core Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107336 / Compendio

International Telemetering Conference Proceedings / October 26-29, 1998 / Town & Country Resort Hotel and Convention Center, San Diego, California / Although PCM/TDM framed data is one of the most prevalent formats handled by flight test ranges, it is often required to acquire and process other types. Examples of such non-standard data types are radar position information and meteorological data from both ground based and radiosonde systems. To facilitate the process and management of such non-standard data types, a micro-processor based system was developed to acquire and transform them into a standard PCM/TDM data frame. This obviated the expense of developing additional special software and hardware to handle such non-standard data types.

In this study, a review of research literature has been carried out to investigate Hybrid Time and wavelength Division Multiplexing techniques with respect to reach, split ratio, and speed of the network. This was done to overcome challenges presented by Passive Optical Networks, such as the reach and the high split ratio. A comparison of different methods clarifies that Hybrid PassiveOptical Networks have a high power-budget that ensure efficient signal transmission. The Optisys software has been used to analyze the performance of the different techniques.

[ES] La constante necesidad de un mayor rendimiento para cumplir con la gran demanda de potencia de cómputo de las nuevas aplicaciones, (ej. sistemas de conducción autónoma), obliga a la industria a apostar por la tecnología basada en Sistemas en Chip con Procesadores Multinúcleo (MPSoCs) en sus sistemas embebidos de seguridad-crítica. Los sistemas MPSoCs generalmente incluyen una red en el chip (NoC) para interconectar los núcleos de procesamiento entre ellos, con la memoria y con el resto de recursos compartidos. Desafortunadamente, el uso de las NoCs dificulta alcanzar la predecibilidad en el tiempo, ya que pueden aparecer conflictos en muchos puntos y de forma distribuida a nivel de red. Para afrontar este problema, en esta tesis se propone un nuevo paradigma de diseño para NoCs de tiempo real donde los conflictos en la red son eliminados por diseño. Este nuevo paradigma parte del Grafo de Dependencia de Canales (CDG) para evitar los conflictos de red de forma determinista. Nuestra solución es capaz de inyectar mensajes de forma natural usando un periodo TDM igual al límite teórico óptimo sin la necesidad de usar un proceso offline exigente computacionalmente. La red se ha integrado en un sistema multinúcleo basado en tiles y adaptado a su jerarquía de memoria. Como segunda contribución principal, proponemos un nuevo planificador dinámico y distribuido capaz de alcanzar un rendimiento pico muy cercanos a las NoC basadas en un diseño wormhole sin comprometer sus garantías de tiempo real. El planificador se basa en nuestro diseño de red para explotar sus propiedades clave. Los resultados de nuestra NoC muestran que nuestro diseño garantiza la predecibilidad en el tiempo evitando interferencias en la red entre múltiples aplicaciones ejecutándose concurrentemente. La red siempre garantiza el rendimiento y también mejora el rendimiento respecto al de las redes wormhole en una red 4 x 4 en un factor de 3,7x cuando se inyecta trafico para generar interferencias. En una red 8 x 8 las diferencias son incluso mayores. Además, la red obtiene un ahorro de área total del 10,79% frente a una implementación básica de una red wormhole. El planificador propuesto alcanza una mejora de rendimiento de 6,9x y 14,4x frente la versión básica de la red DCFNoC para redes en forma de malla de 16 y 64 nodos, respectivamente. Cuando lo comparamos frente a un conmutador estándar wormhole se preserva un rendimiento de red del 95% al mismo tiempo que preserva la estricta predecibilidad en el tiempo. Este logro abre la puerta a nuevos diseños de NoCs de alto rendimiento con predecibilidad en el tiempo. Como contribución final, construimos una taxonomía de NoCs basadas en TDM con propiedades de tiempo real. Con esta taxonomía realizamos un análisis exhaustivo para estudiar y comparar desde tiempos de respuesta, a implementaciones con bajo coste, pasando por soluciones de compromiso para diseños de NoCs de tiempo real. Como resultado, obtenemos nuevos diseños de NoCs basadas en TDM. / [CA] La constant necessitat d'un major rendiment per a complir amb la gran demanda de potència de còmput de les noves aplicacions, (ex. sistemes de conducció autònoma), obliga la indústria a apostar per la tecnologia basada en Sistemes en Xip amb Processadors Multinucli (MPSoCs) en els seus sistemes embeguts de seguretat-crítica. Els sistemes MPSoCs generalment inclouen una xarxa en el xip (NoC) per a interconnectar els nuclis de processament entre ells, amb la memòria i amb la resta de recursos compartits. Desafortunadament, l'ús de les NoCs dificulta aconseguir la predictibilitat en el temps, ja que poden aparéixer conflictes en molts punts i de forma distribuïda a nivell de xarxa. Per a afrontar aquest problema, en aquesta tesi es proposa un nou paradigma de disseny per a NoCs de temps real on els conflictes en la xarxa són eliminats per disseny. Aquest nou paradigma parteix del Graf de Dependència de Canals (CDG) per a evitar els conflictes de xarxa de manera determinista. La nostra solució és capaç d'injectar missatges de mra natural fent ús d'un període TDM igual al límit teòric òptim sense la necessitat de fer ús d'un procés offline exigent computacionalment. La xarxa s'ha integrat en un sistema multinucli basat en tiles i adaptat a la seua jerarquia de memòria. Com a segona contribució principal, proposem un nou planificador dinàmic i distribuït capaç d'aconseguir un rendiment pic molt pròxims a les NoC basades en un disseny wormhole sense comprometre les seues garanties de temps real. El planificador es basa en el nostre disseny de xarxa per a explotar les seues propietats clau. Els resultats de la nostra NoC mostren que el nostre disseny garanteix la predictibilitat en el temps evitant interferències en la xarxa entre múltiples aplicacions executant-se concurrentment. La xarxa sempre garanteix el rendiment i també millora el rendiment respecte al de les xarxes wormhole en una xarxa 4 x 4 en un factor de 3,7x quan s'injecta trafic per a generar interferències. En una xarxa 8 x 8 les diferències són fins i tot majors. A més, la xarxa obté un estalvi d'àrea total del 10,79% front una implementació bàsica d'una xarxa wormhole. El planificador proposat aconsegueix una millora de rendiment de 6,9x i 14,4x front la versió bàsica de la xarxa DCFNoC per a xarxes en forma de malla de 16 i 64 nodes, respectivament. Quan ho comparem amb un commutador estàndard wormhole es preserva un rendiment de xarxa del 95% al mateix temps que preserva la estricta predictibilitat en el temps. Aquest assoliment obri la porta a nous dissenys de NoCs d'alt rendiment amb predictibilitat en el temps. Com a contribució final, construïm una taxonomia de NoCs basades en TDM amb propietats de temps real. Amb aquesta taxonomia realitzem una anàlisi exhaustiu per a estudiar i comparar des de temps de resposta, a implementacions amb baix cost, passant per solucions de compromís per a dissenys de NoCs de temps real. Com a resultat, obtenim nous dissenys de NoCs basades en TDM. / [EN] The ever need for higher performance to cope with the high computational power demands of new applications (e.g autonomous driving systems), forces industry to support technology based on multi-processors system on chip (MPSoCs) in their safety-critical embedded systems. MPSoCs usually include a network-on-chip (NoC) to interconnect the cores between them and, with memory and the rest of shared resources. Unfortunately, the inclusion of NoCs difficults achieving time predictability as network-level conflicts may occur in many points in a distributed manner. To overcome this problem, this thesis proposes a new time-predictable NoC design paradigm where conflicts within the network are eliminated by design. This new paradigm builds on top of the Channel Dependency Graph (CDG) in order to deterministically avoid network conflicts. Our solution is able to naturally inject messages using a TDM period equal to the optimal theoretical bound without the need of using a computationally demanding offline process. The network is integrated in a tile-based manycore system and adapted to its memory hierarchy. As a second main contribution, we propose a novel distributed dynamic scheduler that is able to achieve peak performance close to a wormhole-based NoC design without compromising its real-time guarantees. The scheduler builds on top of our NoC design to exploit its key properties. The results of our NoC show that our design guarantees time predictability avoiding network interference among multiple running applications. The network always guarantees performance and also improves wormhole performance in a 4 x 4 setting by a factor of 3.7x when interference traffic is injected. For a 8 x 8 network differences are even larger. In addition, the network obtains a total area saving of 10.79% over a standard wormhole implementation. The proposed scheduler achieves an overall throughput improvement of 6.9x and 14.4x over a baseline conflict-free NoC for 16 and 64-node meshes, respectively. When compared against a standard wormhole router 95% of its network throughput is preserved while strict timing predictability is kept. This achievement opens the door to new high performance time predictable NoC designs. As a final contribution, we build a taxonomy of TDM-based NoCs with real-time properties. With this taxonomy we perform a comprehensive analysis to study and compare from response time specific, to low resource implementation cost, through trade-off solutions for real-time NoCs designs. As a result, we derive new TDM-based NoC designs. / Picornell Sanjuan, T. (2021). Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177347