ENOC : rede-em-chip expansível

Abstract

Resumo: Os sistemas multiprocessados integrados em chip têm emergido como uma importante tendência para projetos de sistemas em chip. Estes sistemas são formados por vários elementos de processamento conectados originalmente por um barramento compartilhado. Este barramento possui restrições à crescente integração de mais elementos de processamento em um único chip, pois não permite a comunicação paralela e à medida que os elementos aumentam o barramento apresenta menor desempenho na comunicação devido a capacidade fixa. A rede em chip, do inglês Network-on-Chip (NoC), é uma alternativa ao barramento que permite a comunicação paralela e escalável entre os diferentes elementos de processamento de um chip. Tradicionalmente, a NoC é composta por interligações metálicas entre os roteadores e cada roteador é ligado a um elemento de processamento, a comunicação acontece por encaminhamento de pacotes seguindo um determinado algoritmo de roteamento. Esta comunicação pode ser estendida de ligações metálicas para ligações sem fio principalmente para mitigar a latência resultante dos diversos saltos necessários para comunicar elementos de processamento de um chip, em especial dos mais distantes, uma vez que na comunicação sem fio o pacote é transmitido com apenas um salto. Entretanto, há sobrecustos em utilizar esta tecnologia, e por isto várias pesquisas abordam a interligação de apenas regiões do chip, e não todos os elementos. Mesmo com a evolução das formas de comunicação em um chip, a capacidade de um sistema em chip estava limitada aos seus elementos inseridos em momento de fabricação. Esta tese apresenta a ENoC, uma rede em chip expansível capaz de interligar sistemas em chip distintos reconfigurando-se para oferecer uma visão única de sistema com processamento paralelo distribuído por passagem de mensagem. A arquitetura e a comunicação na ENoC são apresentadas juntamente com uma discussão sobre o uso de sistema operacional e organização da memória. A avaliação é realizada por meio de simulações e análise de desempenho. A segurança da comunicação entre os chips é discutida e sistemas de criptografias são avaliados para manter a confidencialidade da informação. Com os resultados dos experimentos concluímos que a ENoC é uma abordagem adequada para a expandir os recursos entre chips e que cada sistema de criptografia possui vantagens e desvantagens próprias para proteger a comunicação sem fio entre as ENoCs, e a escolha de qual criptossistema é uma decisão de projeto. Palavras-chave: sistema em chip, rede em chip, criptografia.

Abstract: Multiprocessor Systems-on-Chip has emerged as an important trend for System-on-Chip designs. These systems consists in several processing elements interconnected, originally, by a shared bus. This bus has restrictions to the increasing integration of many processing elements in a single chip, due to does not allow the parallel communication and as the elements increase the bus presents fewer communication performance because its capacity is fixed. The Network-on-Chip (NoC) is an alternative to the bus that allows parallel and scalable communication among all processing elements on chip. Traditionally, the NoC is made up of metallic wired interconnecting the routers and each router is connected to a processing element, the communication is performed by packets routing following a routing algorithm. This communication may be extended from metal wired links to wireless links, mainly to mitigate the latency from several needed hops to communicate processing elements, in special, the more distant ones, once in wireless communication the packet is transmitted by a single hop. However, there are additional costs in using this technology, and for this reason several researches focus on interconnecting only chip regions, not all elements. Even with the evolution of communication on NoC, the capacity of a system-on-chip was limited to its elements at manufacture time. This thesis presents the ENoC, an Expansible Network-on-Chip capable of interconnecting distinct reconfigurable SoCs to provide a single system view with parallel processing distributed by message passing. The architecture and communication of ENoC are presented within a discussion of operational system and memory organization. The evaluation is performed by simulation and performance analysis. The security of inter-chip communication is discussed and cryptography systems are evaluated to offer a confidentiality of the information. With the results, we conclude that the ENoC is a suitable approach to expand the resources between chips and that each encryption system has its own advantages and disadvantages in order to protect the wireless inter-chip communication, in such way, the choice of which criptosystem is a design decision. Keywords: system-on-chip, network-on-chip, cryptography.