[論文レビュー] DeFT: A Deadlock-Free and Fault-Tolerant Routing Algorithm for 2.5D Chiplet Networks

Ebadollah Taheri, Sudeep Pasricha+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2021

Interconnection Networks and Systems被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、2.5DチップレットネットワークにおけるデッドロックフリーかつフェイルセーフなルーティングアルゴリズムであるDeFTを提案する。DeFTは、バーチャルネットワーク（VN）の割り当てによりデッドロックフリーを保証し、障害に強い動的でトラフィックに適応した垂直リンク（VL）選択を可能にし、最大25%のVL障害を耐容できる。DeFTは障害状況下でも100%のネットワーク到達可能性を達成し、最先端手法と比較して面積オーバーヘッドが2%未塔で、遅延を最大40%まで低減する。

ABSTRACT

By interconnecting smaller chiplets through an interposer, 2.5D integration offers a cost-effective and high-yield solution to implement large-scale modular systems. Nevertheless, the underlying network is prone to deadlock, despite deadlock-free chiplets, and to different faults on the vertical links used for connecting the chiplets to the interposer. Unfortunately, existing fault-tolerant routing techniques proposed for 2D and 3D on-chip networks cannot be applied to chiplet networks. To address these problems, this paper presents the first deadlock-free and fault-tolerant routing algorithm, called DeFT, for 2.5D integrated chiplet systems. DeFT improves the redundancy in vertical-link selection to tolerate faults in vertical links while considering network congestion. Moreover, DeFT can tolerate different vertical-link-fault scenarios while accounting for vertical-link utilization. Compared to the state-of-the-art routing algorithms in 2.5D chiplet systems, our simulation results show that DeFT improves network reachability by up to 75% with a fault rate of up to 25% and reduces the network latency by up to 40% for multi-application execution scenarios with less than 2% area overhead.

研究の動機と目的

• 2.5Dチップレットネットワークにおいて、循環的依存関係や垂直リンク（VL）障害に起因するデッドロックフリーかつフェイルセーフなルーティングの欠如を解消すること。
• 従来の2Dおよび3Dネットワークのフェイルセーフ技術が、不規則でマルチチップレットな2.5Dトポロジーに適用できないという制限を克服すること。
• 変動するトラフィックおよび障害状態下でも、完全なパス冗長性と動的VL選択を実現し、フェイルセーフ性と負荷分散を向上させること。
• モジュラーなチップレットシステムにおけるルーティングの柔軟性を最大化するとともに、ハードウェアオーバーヘッドを最小限に抑える中でデッドロックフリーを維持すること。
• 最小限の面積コストで、マルチアプリケーションおよび実世界のトラフィックシナリオにおいて高いネットワーク信頼性と低遅延を実現すること。

提案手法

• DeFTは、バーチャルチャnel（VC）の利用状況をバランスさせるとともに、制限のないVL選択下でもデッドロックフリーを保証する、革新的なバーチャルネットワーク（VN）割り当て戦略を採用する。
• トラフィックに適応した動的VL選択メカニズムを導入し、未利用度の高いおよびフェイルセーフなVLを優先することで、混雑を低減し、障害耐性を向上させる。
• 障害に強いルックアップテーブルを用いてルーティング状態を維持し、VL障害発生時に経路再構成を可能にする。
• 制限的なターンモデルを回避することで、最大25%のVL障害下でも、任意のVLをルーティングに使用可能にし、完全な到達可能性を実現する。
• VN割り当ておよびフェイルセーフなVL選択に最小限のハードウェア論理を統合し、面積オーバーヘッドが2%未満に抑えられる。
• DeFTは、4チップレットおよび6チップレットシステムにおいて、実アプリケーションワークロードおよび障害挿入モデルを用いて、さまざまなトラフィック負荷下で評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限のない垂直リンク（VL）選択が許可される2.5Dチップレットネットワークにおいて、デッドロックフリーなルーティングが達成可能か？
• RQ2 従来の2D/3D技術が失敗するような、任意のVL障害パターン下でも、2.5Dチップレットネットワークにおけるフェイルセーフ性をどのように実現できるか？
• RQ3 動的でトラフィックに適応したVL選択は、高い障害率およびトラフィック負荷下で、ネットワーク遅延をどの程度低減し、負荷分散を改善できるか？
• RQ4 2.5Dチップレットシステムにフェイルセーフかつデッドロックフリーなルーティングを統合する際のハードウェアおよび消費電力オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 実際の障害およびトラフィック条件下で、DeFTはMTRやRCといった最先端のアルゴリズムと比較して、到達可能性および遅延の面でどの程度優れているか？

主な発見

• DeFTは25%の垂直リンク障害率下でも100%のネットワーク到達可能性を達成し、4チップレットシステムにおけるMTR（最大3.1%の障害耐性）およびRC（障害耐性なし）を大きく上回る。
• マルチアプリケーションシナリオでは、DeFTはMTRおよびRCと比較して、最大40%のネットワーク遅延低減を実現する。特に高トラフィック負荷下で顕著である。
• 25%の障害率下では、DeFTはMTRと比較して最悪ケースの到達可能性を最大75%向上させ、RCと比較して50%向上させる。
• ハードウェアオーバーヘッドは低く抑えられ、MTRおよびRCと比較して面積オーバーヘッドが2%未塔、消費電力オーバーヘッドが1%未塔である。
• 動的VL選択を採用したDeFTは、距離ベースやランダム選択と比較して、特に高い障害率下で遅延をより効果的に低減する。
• 本稿で提案する動的VL選択戦略は、静的またはランダム選択を上回り、障害が生じやすい環境でも負荷を均衡させ、混雑を最小限に抑える。