• Home
  • Presenting a Network-on-Chip Mapping Approach Based on Harmony Search Algorithm

Share To

Article Url


Manuscript ID : 1401041538387 Visit : 2971 Page: 77 - 88

20.1001.1.16823745.1402.21.2.9.2

Article Type: Original Research

Presenting a Network-on-Chip Mapping Approach Based on Harmony Search Algorithm

Subject Areas : electrical and computer engineering

Zahra Bagheri 1 , Fatemeh Vardi 2 * , Alireza Mahjoub 3

1 - Department of Computer and Information Technology, Parana Branch, Islamic Azad University
2 -
3 - Department of Computer Engineering, Karaj Branch, Islamic Azad University

Received: 2022-07-06 Accepted : 2023-04-30 Published : 2023-10-24

Keywords: Networks on chip, mapping, harmony search, heuristic,

Abstract :

In network-on-chip implementation, mapping can be considered as an important step in application implementation. The tasks of an application are often represented in the form of a core graph. The cores establish a link between themselves using a communication platform and often the network on the chip. For finding proper mapping for an application, developers have proposed various algorithms. In most cases, due to the complexity, exact search methods are used to find the mapping. However, these methods are suitable for networks with small dimensions. As the size of the network increases, the search time also increases exponentially. This article, from the perspective of a heuristic approach, uses the harmony search method to decide when to connect cores to routers. Our approach uses an improved version of the harmony search algorithm with a focus on reducing power consumption and delay. Algorithm complexity analysis reveals a more appropriate solution compared to similar algorithms with respect to application traffic pattern. Compared to similar methods, the algorithm achieves 39.98% less delay and 61.11% saving in power consumption.

References:

[1] A. Hemani, et al., "Network on chip: an architecture for billion transistor era," in Proc. of the IEEE NorChip Conf., pp. 166-173, Turku, Finland, Nov. 2000.
[2] C. L. Chou and R. Marculescu, "Contention-aware application mapping for network-on-chip communication architectures," in Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Design, ICCD'08, pp. 164-169, Lake Tahoe, CA, USA, 12-15 Oct. 2008.
[3] X. S. Yang, "Harmony search as a metaheuristic algorithm search algorithm: theory and applications," Studies in Computational Intelligence, vol 191, pp.1-14, Springer, Berlin, Heidelberg, 2009.
[4] C. Marcon, T. Webber, and A. A. Susin, "Models of computation for NoC mapping: timing and energy saving awareness," Microelectronics J., vol. 60, pp. 129-143, Feb. 2017.
[5] P. Mesidis, Mapping of Real-Time Applications on Network-on-Chip Based MPSOCS, MS Thesis, Department of Computer Science, University of York, Dec. 2011.
[6] P. K. Sahu and S. Chattopadhyay, "A survey on application mapping strategies for network-on-chip design," J. of Systems Architecture, vol. 59, no. 1, pp. 60-76, Jan. 2013.
[7] A. Bender, "MILP based task mapping for heterogeneous multiprocessor systems," in Proc. of International Conf. on Design and Automation, vol. 96, pp. 190-197, Sep. 1996.
[8] K. Srinivasan, K. S. Chatha, and G. Konjevod, "Linear-programming-based techniques for synthesis of network-on-chip architectures," IEEE Trans. on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 14, no. 4, pp. 407-420, Apr. 2006.
[9] P. Ghosh, A. Sen, and A. Hall, "Energy efficient application mapping to NoC processing elements operating at multiple voltage levels," in Proc. 3rd ACM/IEEE Intl Symp. on Networks-on-Chip, pp. 80-85, La Jolla, CA, USA, 10-13 May 2009.
[10] C. Ostler and K. S. Chatha, "An ILP formulation for system-level application mapping on network processor architecture," in Proc. of Design, Automation and Test in Europe, DATE'07, pp. 99-104, Nice, France, 16-20 Apr. 2007.
[11] J. Hu and R. Marculescu, "Communication and task scheduling of application-specific networks-on-chip," IEEE Proc. Computers & Digital Techniques, vol. 152, no. 5, pp. 643-651, Sept. 2005.
[12] S. Tosun, "Clustered-based application mapping method for network-on-chip," J. of Advances in Engineering Software, vol. 42, no. 10, pp. 868-874, Oct. 2011.
[13] R. Marculescu and J. Hu, "Energy-aware mapping for tile-based NoC architectures under performance constraints," in Proc. Asia and South Pacific Design Automation Conf., ASP-DAC'03, pp. 233-239, Kitakyushu, Japan,2 4-24 Jan. 2003.
[14] R. Marculescu and J. Hu, "Energy-and performance-aware mapping for regular NoC architectures," IEEE Trans. on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 24, no. 4, pp. 180-187, Apr. 2005.
[15] M. Reshadi, A. Khademzadeh, and A. Reza, "Elixir: a new bandwidth-constrained mapping for networks-on-chip," IEICE Electronics Express, vol. 7, no. 2, pp. 73-79, 2010.
[16] R. Pop and S. Kumar, A Survey of Techniques for Mapping and Scheduling Applications to Network on Chip Systems, Technical Report ISSN 1404-0018 04:4, ING Jönköping, 2004.
[17] C. Xu, et al., "Optimization strategy of regular NoC mapping using genetic-based hyper-heuristic algorithm," Symmetry, vol. 14, no. 8, Article ID: 1637, Aug. 2022.
[18] C. Xu, Y. Liu, P. Li, and Y. Yang, "Unified multi-objective mapping for network-on-chip using genetic-based hyper-heuristic algorithms," IET Comput. Digit. Tech, vol. 12, no. 4, pp. 158-166, Jul. 2018.
[19] H. M. Ali, S. Ashrafinia, and J. Liu, "Wireless mesh network planning using quantum inspired evolutionary algorithm [C]," in Proc. IEEE Conf. on Vehicular Technology, 5 pp., San Francisco, CA, USA, 5-8 Sept. 2015.
[20] Y. Xie and Y. Liu, "A research on NoC mapping with quantum ant colony algorithm," in International Conf. on Wireless Communications, Signal Processing and Networking, WiSPNET'17, pp. 874-877, Chennai, v20-24 Mar. 2017.
[21] E. Carvalho, N. Calazans, and F. Moraes, "Dynamic task mapping for MPSoCs," IEEE Design and Test of Computers, vol. 27, no. 5, pp. 26-35, Sept./Oct. 2010.
[22] T. Lei and S. Kumar, "A two-step genetic algorithm for mapping task graphs to a network on chip architecture," in Proc. of the Euromicro Symp. on Digital System Design, DSD'03, pp. 180-187, Belek-Antalya, Turkey, 1-6 Sept. 2003.
[23] A. Hansson, K. Goossens, and A. Radulescu, "A unified approach to constrained mapping and routing on network-on-chip architectures," in Proc. IEEE/ACM Int Conf. on Hardware/Software Codesign and System Synthesis, CODES+ISSS'05, pp. 75-80, Jersey City, NJ, USA,19-21 Sept. 2005.
[24] W. T. Shen, C. H. Chao, Y. K. Lien, and A. Y. Wu, "A new binomial mapping and optimization algorithm for reduced-complexity mesh-based on-chip network," in Proc. of First Int. Symp. on Networks-on-Chip, NOCS'07, pp. 317-322, Princeton, NJ, USA, 7-9 May 2007.
[25] S. Murali and G. De Micheli, "Bandwidth constrained mapping of cores onto NoC architectures," in Proc. of Design, Automation, and Test in Europe Conf. and Exhibition, vol. 2, pp. 896-901, Feb. 2004.
[26] P. K. Sahu, P. Venkatesh, S. Gollapalli, and S. Chattopadhyay, "Application mapping onto mesh structured network-on-chip using particle swarm optimization," in Proc. IEEE Int. Symp. VLSI, ISVLSI'11, pp. 335-336, Chennai, India, 4-6 Jul. 2011.
[27] S. Murali and G. De Micheli, "Bandwidth constrained mapping of cores onto NoC architectures," in Proc. of Design, Automation, and Test in Europe Conf. and Exhibition, DATE'04, vol. 2, pp. 896-901, Paris, France, 16-20 Feb. 2004.
[28] S. Khan, et al., "An optimized hybrid algorithm in term of energy and performance for mapping real time workloads on 2d based on-chip networks," Springer Science + Business Media, LLC, Part of Springer Nature, vol. 48, no. 12, pp. 4792-4804, Dec. 2018.
[29] S. Khan, et al., "An efficient algorithm for mapping real time embedded applications on NoC architecture," IEEE ACCESS, vol. 6, pp. 16324-16335, 2018.
[30] S. Khan, S. Anjum, U. A. Gulzari, T. Umer, and B. S. Kim, "Bandwidth-constrained multi-objective segmented brute-force algorithm for efficient mapping of embedded applications on NoC architecture," IEEE ACCESS, vol. 6, pp. 11242-11254, 2017.
[31] G. Z. Woo, K. J. Hoon, and G. Loganathan, "A new heuristic optimization algorithm: harmony search," Simulation, vol. 76, no. 2, pp. 60-68, Feb. 2001.
[32] Z. W. Geem and Y. H. Cho, "Optimal design of water distribution networks using parameter-setting-free harmony search for two major parameters," J. of Water Resources Planning and Management, vol. 137, no. 4, pp. 377-380, Oct. 2010.
[33] N. Theodossiou and I. Kougias, "Harmony search algorithm," WIT Trans. on State of the Art in Science and Engineering, vol. 56, Ch. 7, 25 pp., Jul. 2012.
[34] P. K. Sahu, K. Manna, T. Shah, and S. Chattopadhyay, "A constructive heuristic for application mapping onto mesh based network-on-chip," J. of Circuits, Systems, and Computers, vol. 24, no. 8, Article ID: 1550126, Aug. 2015.
[35] C. Marcon, et al., "Exploring NoC mapping strategies: an energy and timing aware technique," in Proc. Design, Automation and Test in Europe, pp. 502-507, Munich, Germany, 7-11 Mar. 2005.
[36] M. Mahdavi, M. Fesanghary, and E. Damangir, "An improved harmony search algorithm for solving optimization problems," Appl Math Comput., vol. 188, no. 2, pp. 1567-1579, May 2007.
[37] "Noxim, http://noxim.sourceforge.net [available on dated: 01.08.2014]."
[38] D. Fernandes, M. Neto, L. F. B. Soares, M. M. Freire, and P. R. M. Inácio, "Chapter 10-on the self-similarity of traffic generated by network traffic simulators," Modeling and Simulation of Computer Networks and Systems, pp. 285-311, 2015.
Full-Text:
معرفي يک روش جديد خوشه‌يابي خودکار

نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، ب- مهندسی کامپیوتر، سال 21، شماره 2، تابستان 1402                           77

مقاله پژوهشی

ارائه یک رویکرد نگاشت در شبکه روی تراشه 
مبتنی بر الگوریتم جستجوی هارمونی

زهرا باقری، فاطمه وردی و علیرضا محجوب

 

 

1 

چکیده: در پیاده‌سازی مبتنی بر شبکه روی تراشه، نگاشت را می‌توان گامی مهم در اجرای برنامه کاربردی دانست. وظایف یک کاربرد، اغلب در قالب یک گراف هسته نمایش داده می‌شود. هسته‌ها با استفاده از یک بستر ارتباطی و غالباً شبکه روی تراشه، بین خود پیوند برقرار می‌کنند و به این منظور، توسعه‌دهندگان الگوریتم‌های گوناگونی را پیشنهاد داده‌اند. در اغلب موارد به‌دلیل پیچیدگی از روش‌های جستجوی دقیق برای یافتن نگاشت استفاده می‌شود. با این حال این روش‌ها برای شبکه‌های با ابعاد کوچک مناسب هستند. با افزایش ابعاد شبکه، زمان جستجو نیز به‌طور نمایی افزایش می‌یابد. این مقاله از دیدگاه یک رویکرد فراابتکاری با استفاده از روش جستجوی هارمونی به تصمیم‌گیری زمانی برای اتصال هسته‌ها به روترها می‌پردازد. رویکرد ما نوعی بهبودیافته از الگوریتم جستجوی هارمونی را با تمرکز روی کاهش توان مصرفی و تأخیر به کار می‌گیرد. تحلیل پیچیدگی الگوریتم، آشکارکننده راه حل مناسب‌تر در مقایسه با الگوریتم‌های مشابه با توجه به الگوی ترافیکی برنامه کاربردی است. الگوریتم در مقایسه با روش‌های مشابه به 98/39% تأخیر کمتر و 11/61% صرفه‌جویی در توان مصرفی دست می‌یابد.

 

کلیدواژه: شبکه‌های روی تراشه، نگاشت، جستجوی هارمونی، فراابتکاری.

1-       مقدمه

با افزایش قدرت پردازشی تراشه‌ها، پیچیدگی و قابلیت برنامه‌های کاربردی نیز افزایش یافته و این افزایش پیچیدگی سخت‌افزار و نرم‌افزار در سیستم‌های روی تراشه و پردازنده‌های چندهسته‌ای، به نوبه خود افزایش حجم و پیچیدگی ترافیک ارتباطی را داخل تراشه موجب می‌شود. از سوی دیگر، کاهش اندازه2 ترانزیستورها، مشکلات و چالش‌های دیگری را در سطح مدار به ویژه برای ساختارهای ارتباطی درون تراشه به همراه دارد. مواجهه با این پیچیدگی ارتباطات و همچنین مسائل موجود در فناوری‌های جدید VLSI، نیاز به بازنگری روش‌های سنتی ارتباطی درون تراشه را ایجاد کرد و شبکه روی تراشه به عنوان یک طرح ارتباطی درون تراشه‌ای نوین برای رفع و کاهش این مشکلات مورد توجه قرار گرفت [1].

افزایش کارایی سیستم‌های روی تراشه چندپردازنده‌ای به‌عنوان یکی از چالش‌های مهم در محیط شبکه‌های روی تراشه است. از مشکلات دیگر سیستم‌های چندپردازنده‌ای مبتنی بر شبکه روی تراشه می‌توان تخصیص مناسب و کارآمد منابع به وظایف یا همان نگاشت و تعیین ارتباط مسیریاب‌ها با هسته‌های یک برنامه کاربردی را نام برد.

نگاشت هسته‌های پردازشی مورد نیاز یك كاربرد خاص بر روی گره‌های یك شبكه روی تراشه، یكی از مؤثرترین راه‌های بهینه‌سازی شبكه‌های روی تراشه برای آن کاربرد است. هدف بیشتر الگوریتم‌های نگاشت، كنار هم قرار دادن هسته‌های پردازشی است كه حجم ارتباطی زیادی با یكدیگر دارند. از یك دیدگاه می‌توان نگاشت را به دو دسته كلی تقسیم كرد. در دسته اول، نگاشت بر روی گره‌های یك شبكه با همبندی معلوم و اغلب توری انجام می‌گیرد. در حالی كه در دسته دوم، ابتدا یك همبندی خاص‌منظوره طبق نیازمندی‌های ترافیكی برنامه كاربردی ساخته می‌شود. سپس عملیات نگاشت بر اساس این همبندی و یا هم‌زمان با ساخت آن انجام می‌پذیرد [2].

نگاشت می‌تواند ماهیت ایستا یا پویا داشته باشد [3]. در نگاشت ایستا تخصیص وظایف به هسته‌ها به‌صورت آفلاین و قبل از اجرای برنامه کاربرد انجام می‌گیرد. این نوع نگاشت سعی دارد که همیشه بهترین مکان وظایف را در زمان طراحی مشخص کند و از آنجایی که نگاشت قبل از اجرای برنامه کاربرد انجام می‌گیرد، الگوریتم نگاشت فقط یک بار اجرا می‌شود. برای شبکه روی تراشه، نگاشت ایستا پیشنهاد می‌شود، زیرا سربار محاسبات به‌ صورت چشم‌گیری بر روی عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارد و تأخیر کلی سیستم را افزایش می‌دهد. در حالی که استراتژی نگاشت پویا، آنلاین است. بنابراین مکان وظایف در شبکه روی تراشه می‌تواند در طول اجرای برنامه کاربرد تغییر کند. الگوریتم‌های نگاشت ‌در شبکه‌های روی تراشه با دیدگاه بهبود شاخص اصلی آن یعنی کارایی، توان مصرفی، نرخ گذردهی و تأخیر به‌عنوان تابعی متغیر از تزریق داده‌ها، توزیع مکانی مبدأ و مقصد، تعداد گره‌ها بر حسب پروتکل ارتباطی، الگوریتم مسیریابی، اندازه بافر و تأخیر قابل بررسی است [4]. به این منظور قابلیتی در تراشه طراحی شده که بتواند با برقراری تعادل بین معیارهای دارای اهمیت، کیفیت سرویس مورد نظر را فراهم آورد. اما از نظر عملکردی انتظار می‌رود که نگاشت ایستا بهتر باشد، زیرا می‌تواند دید جامع‌تری از تمام هسته‌ها، محاسبات و الزامات ارتباطی آنها داشته باشد.

این مقاله بر استراتژی‌های نگاشت ایستا متمرکز است. بسیاری از رویکردها از جمله روش‌های دقیقی مانند برنامه‌ریزی خطی، روش‌های اکتشافی، استراتژی‌های فراجستجو مانند الگوریتم‌های ژنتیک و غیره این استراتژی را دنبال می‌کنند. ویژگی‌های بارز رویکرد پیشنهادی به شرح ذیل است:

1)        یک الگوریتم نگاشت مبتنی بر ساختار گراف و الگوریتم جستجوی هارمونی 3(HS) [3] برای کاهش هزینه ارتباطات پیشنهاد گردیده است.

2)        مقادیر متریک هزینه ارتباطات در راه حل پیشنهادی با برخی رویکردهای موجود مقایسه شده است. هم در کیفیت و هم در زمان اجرا، نگاشت پیشنهادی بهبود خوبی را نشان می‌دهد.

3)        مقایسه عملکرد پویا از نظر میانگین تأخیر شبکه و توان عملیاتی نیز انجام شده است.

4)        برای مشاهده بهینه‌بودن تکنیک نگاشت پیشنهادی، محاسبه تابع هزینه با امکان کاهش هم‌زمان تأخیر و توان مصرفی فرموله شده است.

ادامه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. در بخش دوم از مقاله، راهکارهای موجود در زمینه نگاشت وظایف در شبکه‌های روی تراشه مورد بررسی قرار می‌گیرد. در بخش سوم، روش پیشنهادی، ارائه و ساختار مربوط به روش جدید بیان می‌شود. هدف از رویکرد پیشنهادی، ارائه یک راهکار نگاشت وظایف کارا در شبکه‌های روی تراشه به‌منظور بهبود مؤلفه‌های کیفیت سرویس است. در بخش چهارم، شبیه‌سازی روش پیشنهادی ارائه شده و نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی، ارزیابی می‌گردند. در انتها و در بخش پنجم پس از یک نتیجه‌گیری کلی، پیشنهاد کارهای آتی و منابع ارائه می‌شوند.

2-       مرور ادبیات

روش‌های نگاشت در شبکه‌های روی تراشه با توجه به زمان اختصاص‌یافته به وظایف یک برنامه کاربردی به‌منظور پردازش در هسته‌های شبکه روی تراشه طبقه‌بندی می‌شوند. برنامه کاربردی با نگاشت ایستا در زمان طراحی مشخص شده و نمی‌تواند به‌طور پویا تغییر کند. برای یک کاربرد و زیرساخت‌های ارتباطی آن با توجه به در دسترس بودن تمامی اطلاعات لازم، الگوریتم نگاشت ایستا سعی می‌کند که بهترین مکان وظایف را در زمان طراحی مشخص کند [5]. در این روش چون نگاشت قبل از اجرای برنامه کاربرد کامل می‌شود، الگوریتم نگاشت تنها یک بار در زمان کامپایل اجرا می‌شود؛ بنابراین روی کارایی مربوط به کاربرد در زمان اجرا تأثیر نمی‌گذارد. در نگاشت ایستا با اختصاص یک بستر برای اجرای کاربرد مورد نظر، هیچ گونه رفتار پویایی از قبیل اضافه‌شدن، حذف‌شدگی و یا مهاجرت وظایف در طول زمان اجرا قابل قبول نیست. بنابراین انتظار می‌رود که الگوریتم‌های نگاشت ایستا، راه حل‌های نزدیک به راه حل بهینه بیشتری را ایجاد کنند.

روش‌های نگاشت ایستا به دو دسته نگاشت دقیق4 و نگاشت مبتنی بر جستجو5 تقسیم می‌شوند. نگاشت دقیق، نگاشتی است که بر مبنای کدنویسی و فرموله‌بندی ریاضی به راه حل بهینه دست پیدا می‌کند. برنامه‌نویسی خطی عدد صحیح 6(ILP)، برنامه‌نویسی خطی غیر عدد صحیح7 و برنامه‌نویسی خطی ترکیبی 8(MILP) سه نوع از مهم‌ترین الگوریتم‌های نگاشت دقیق هستند [6].

در راهکار [7] یک روش MILP جهت نگاشت وظایف برای سیستم‌های چندپردازنده ناهمگن ارائه شده است. در این روش ابتدا به‌طور حریصانه، هسته‌ها بر روی یک همبندی خاص نگاشت شده و سپس در مرحله بهبود، موقعیت‌های نسبی هسته‌ها توسط جستجوی ممنوع9 ثابت می‌شوند. در [8] از روش MILP برای ساخت یک معماری شبکه روی تراشه استفاده شده که هدف آن بهینه‌سازی و کمینه‌کردن توان مصرفی با درنظرگرفتن محدودیت‌های کارایی است. گلوگاه اصلی در ILP [9]، زمان اجراست و برای کاهش آن، گراف وظیفه کاربرد مورد نظر به تعدادی خوشه تقسیم‌بندی شده است.

در رویکرد [10]، یک روش ILP دومرحله‌ای را برای تخصیص وظایف و نگاشت داده روی سیستم چندپردازنده‌ای متقارن10 ارائه داده‌اند و به دنبال آن در راهکار [11]، رقابت در شبکه مورد بررسی قرار گرفته است. در این روش از یک فرمول‌بندی LP برای کاهش رقابت در دستیابی به منبع با استفاده از کاربردهای نگاشت رقابت- آگاه از تراکم11 استفاده می‌شود. کاهش رقابت در شبکه موجب کاهش تأخیر بسته‌ها می‌شود؛ 
با این حال برخی از این روش‌ها زمان پردازش بالایی دارند که اتلاف انرژی ارتباطی را افزایش می‌دهد. همچنین ازدحام ترافیک در پیوندها ممکن است موجب کاهش عملکرد سیستم شود. برای غلبه بر این مشکل، راهکار [12] گراف وظایف کاربرد را خوشه‌بندی کرده و بر اساس تعداد خوشه‌ها، معماری توری را به شبکه‌های توری با ابعاد کوچک‌تر تقسیم می‌کند. برای نگاشت خوشه‌ها به زیرشبکه‌های توری مربوط از فرمول‌بندی ILP استفاده شده است. در انتها همه زیرشبکه‌های توری برای تعیین راه حل نهایی ادغام می‌شوند و بنابراین زمان پردازنده، بهبود پیدا می‌کند اما هزینه ارتباطی خوبی به دست نمی‌آید.

الگوریتم‌های نگاشت ایستای مبتنی بر جستجو نیز به دو گونه تقسیم می‌شوند: 1) نگاشت مبتنی بر جستجوی قطعی12 و 2) نگاشت مبتنی بر جستجوی اکتشافی13. الگوریتم‌های نگاشت قطعی تمام فضای جستجو 
را بررسی می‌کنند که الگوریتم 14BB جزء این دسته از الگوریتم‌های نگاشت است. این الگوریتم با جستجوی راه حل در شاخه‌های درخت و محدودکردن راه حل‌های غیرمجاز، نگاشت مناسب را پیدا می‌کند [6]. اما این الگوریتم برای حل مسائل کوچک‌تر مناسب است زیرا زمان جستجو با افزایش اندازه مسأله به‌طور نمایی افزایش می‌یابد [5]. در راهکار [13] یک نگاشت انرژی آگاه از تراکم و در [14] یک نگاشت آگاه از انرژی و کارایی15 با استفاده از الگوریتم شاخه و حد برای معماری شبکه روی تراشه با هدف کمینه‌کردن انرژی ارتباطی ارائه شده که محدودیت‌های طراحی را از طریق ذخيره پهنای باند برآورده می‌کند. الگوریتم به‌طور هم‌زمان یک نگاشت بهینه و یک تابع مسیریابی را ارائه می‌کند که علاوه بر رعایت محدودیت پهنای باند، انرژی ارتباطی را نیز بهبود می‌بخشد.

در [15] از محدودیت پهنای باند و روش شاخه و حد برای نگاشت استفاده شده است. در این راهکار ابتدا با استفاده از درخت جستجو، یک مجموعه نگاشت با کمترین هزینه ارتباطی جستجو می‌شود و در گام بعدی، نگاشت‌هایی که کمترین تأخیر و توان مصرفی را داشته باشند به عنوان  راه  حل  نهایی  باقی  می‌مانند.  با  این  حال  روش‌های  جستجوی 

img0 

شکل 1:  ماتریس حافظه، متغیر تصمیم و تابع برازش.

 

اکتشافی تنها راه حل‌های کارا در حل مسائل NP-hard و در اندازه‌های واقعی هستند زیرا در اندازه‌های کوچک‌تر می‌توان با روش‌های قطعی، راه حل بهینه را ایجاد کرد [6].

هنگامی که جستجوی کامل فضای راه حل و روش‌های قطعی به دلیل بزرگ‌بودن اندازه شبکه و پیچیدگی زمانی الگوریتم قادر نباشد تا راهکار مناسب را در زمانی مناسب ایجاد کند، رویکردهای فرااکتشافی پاسخ مناسب را فراهم می‌آورند [16]. این گروه از روش‌ها خود به دو دسته اکتشافی قابل تغییر16 و روش‌های سازنده17 تقسیم می‌شوند. این رویکردها آن قدر راه حل‌های نگاشت را تغییر می‌دهند تا به راه حل بهینه برسند. به عنوان نمونه می‌توان به روش‌های تکاملی مانند الگوریتم ژنتیک، الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات 18(PSO)، الگوریتم کلونی مورچه 19(ACO) و موارد دیگر اشاره کرد [14]. در [17] و [18] نویسندگان با استفاده از الگوریتم ژنتیک بر اساس حذف ایزومورفیسم، روشی را برای بهینه‌سازی شبکه روی تراشه تعریف می‌کنند. در این رویکرد برای حذف هم‌شکلی توالی نگاشت و تسریع همگرایی جمعیت با انتخاب خودکار عملگرها در طول فرایند نگاشت، پایداری و سرعت همگرایی الگوریتم بهبود می‌یابد. در پژوهش ارائه‌شده توسط خیونگ و همکارانش [19]، یک الگوریتم کوانتومی کلونی مورچه ارائه شده تا مسأله نگاشت در شبکه‌های روی تراشه را حل کند. این رویکرد از بیت کوانتومی برای جایگذاری فرومون کلونی مورچه استفاده می‌کند [20]. روند به‌روزرسانی فرومون در این ساختار به‌صورت پویا برای کاهش همگرایی زودهنگام الگوریتم کلونی مورچه به‌طور مؤثر و بر اساس استراتژی چرخش فاز تطبیقی است. بهینه‌سازی هسته‌های موجود در شبکه‌های روی تراشه یکی از مهم‌ترین گام‌های طرح ارائه‌شده است.

در راهکار گروه تحقیقاتی کانولو [21]، یک روش سلسله‌مراتبی تکرارشونده برای نگاشت وظایف بر روی شبکه بر تراشه ناهمگن در زمان اجرا ارائه و کاربرد مورد نظر با مجموعه‌ای از جریان‌ها یا وظایف ارتباطی مدل شده است. برای کاهش انرژی مصرفی، الگوریتم نگاشت سعی می‌کند که وظایف نزدیک را به یکدیگر مرتبط کند.

در روش لی و همکارش [22] یک الگوریتم ژنتیک دومرحله‌ای برای نگاشت گراف کاربرد بر روی هسته‌های پردازشی شبکه بر تراشه، پیشنهاد شده است؛ به‌طوری که زمان اجرای کلی گراف وظایف کمینه گردد. برای تخمین زمان اجرا از یک مدل تأخیر بر مبنای تأخیر سیستم و تأخیر یال استفاده شده است. تأخیر سیستم گراف وظیفه برابر تأخیر مسیر بحرانی در زمان اجرا و تأخیر یال است. تأخیر یال برابر است با میزان تأخیر انتقال داده بین دو رأس که بر روی گره‌های مختلف شبکه نگاشت شده‌اند.

در [23] یک الگوریتم با عنوان 20UMARS ارائه شده که نگاشت، تخصیص مسیر و تخصیص برش‌های زمانی را برای کمینه‌کردن انرژی ارتباطی هم‌زمان انجام می‌دهد. در این روش، هسته‌ها روی همبندی شبکه روی تراشه، نگاشت شده و ارتباط‌های آنها مسیریابی می‌شود. برش‌های زمانی 21TDMA، محدودیت‌های کاربرد را برآورده می‌سازد.

در روش پیشنهادی شن و همکارانش [24] یک الگوریتم بهینه‌سازی و نگاشت دوجمله‌ای برای کاهش هزینه سخت‌افزاری شبکه روی تراشه به نام BMAP ارائه شده است. این الگوریتم خیلی سریع و مؤثر می‌باشد 
و پیچیدگی محاسباتی کمتری نسبت به NMAP [25] و PSMAP [26] دارد.

الگوریتم BMAP از 3 مرحله تشکیل شده است: رتبه‌بندی هسته‌های پردازشی، ادغام مجموعه هسته‌ها و دوباره‌سازی مجموعه هسته‌ها. رتبه‌بندی هسته‌ها به پهنای باند ارتباطی بین آنها بستگی دارد. رتبه هر هسته برابر با جمع پهنای باند ارتباطی آن هسته با سایر هسته‌ها و از آن هسته‌ها به هسته هدف است [27].

ONMAP [28] یک روش اکتشافی نگاشت تقریباً بهینه مبتنی بر جستجو پیشنهاد می‌کند که از روش بهینه‌سازی دقیق ماژولار NMAP بهره‌برداری می‌نماید. الگوریتم ترکیبی پیشنهادی، مصرف انرژی ارتباط بین پردازنده روی تراشه را به حداقل می‌رساند و پارامترهای عملکرد شبکه اتصال را بهینه می‌کند. اخیراً دو الگوریتم BEMAP [29] و SBMAP [30] معرفی شده‌اند که مبتنی بر یک الگوریتم نگاشت دقیق مبتنی بر تکنیک ترکیبی BB نگاشت برنامه‌های کاربردی تعبیه‌شده در زمان واقعی را بهبود می‌بخشند. این دو روش با بهره‌گیری از تکنیک‌های بهینه‌سازی سیستماتیک ماژولار، یک راه حل بهینه‌شده چندهدفه را برای مسئله نگاشت طرح‌های NOC به کار می‌گیرند. نتایج بهبود عملکرد هر دو مکانیزم تحت معیارهای چندین برنامه جاسازی شده در زمان واقعی، بهبود در تأخیر و صرفه‌جویی در مصرف برق شبکه را برای همبندی‌های دوبعدی نشان می‌دهد.

در این مقاله به‌منظور بهینه‌سازی مسأله نگاشت با درنظرگرفتن هزینه‌های محاسباتی، یک مدل بهبودیافته از الگوریتم جستجوی نگاشت با استفاده از رویکرد جستجوی هارمونی در شبکه‌های روی تراشه معرفی می‌شود.

3-       الگوریتم جستجوی هارمونی

جستجوی هارمونی، از ساده‌ترین و جدیدترین روش‌های فراابتكاری است كه در فرایند جستجوی جواب بهینه در مسائل بهینه‌سازی مورد استفاده قرار گرفته است. این روش اولین بار توسط گیم در سال 2001 میلادی ارائه شد [31]. در منطق این رویکرد، تلاش برای به‌دست‌آمدن یک هماهنگی بین نوازنده‌های گروه ارکستر در یك هم‌نوازی مانند پیداكردن حل بهینه در مسائل بهینه‌سازی است. از مزایای این الگوریتم، همگرایی سریع به دلیل ساختار مناسب آن است. با این حال دارای معایبی نیز می‌باشد. از آن جمله گیرافتادن در نقاط بهینه محلی به دلیل جستجو با تنوع كم در تكرارهای پایانی الگوریتم كه برای رفع آن از تكنیك شروع دوباره و تغییر در قواعد الگوریتم به خصوص در تكرارهای پایانی استفاده می‌شود. فرایند الگوریتم جستجوی هارمونی در شکل 1 آمده است.

بر مبنای منطق الگوریتم جستجوی هارمونی، هر راه حل، یک هارمونی نامیده می‌شود و با یک بردار img0بعدی نمایش داده می‌شود. الگوریتم دارای 5 گام به شرح زیر است:

1)        مقداردهی اولیه مسأله بهینه‌سازی و پارامترهای اولیه

2)        مقداردهی حافظه هارمونی

3)        ایجاد یک هارمونی جدید بهبودیافته

4)        به‌روزآوری حافظه هارمونی

5)        تکرار گام‌های ۳ و ۴ تا زمانی که شرط پایانی فرارسد یا تکرارها پایان پذیرد.

اکنون به توضیح مراحل اجرای گام‌های الگوریتم جستجوی هارمونی برای دستیابی به مقادیر بهینه جواب‌های مسأله می‌پردازیم.

گام اول شامل ساخت یک ماتریس حافظه هارمونی خام و اعمال تکثیر بر روی آن است. متغیرهای تصمیم تصادفی، درایه‌های این ماتریس را تشکیل می‌دهند. بردارهای حل ذخیره‌شده در حافظه هارمونی بر اساس مقدار تابع برازش مرتب می‌شوند. این هارمونی قادر است تا اطلاعات مربوط به هر پاسخ را ذخیره کند. الگوریتم تابع هدف img0 و بردار جواب هارمونی img0 در این مرحله تعیین می‌شود. پارامتر img0 میزان احتمال استفاده از حافظه هارمونی و پارامتر img0 میزان احتمال ایجاد تغییرات جزئی در یک مؤلفه را نشان می‌دهد و این ویژگی تقریباً با ویژگی جهش در الگوریتم ژنتیک همسان می‌باشد.

گام دوم ایجاد یک هارمونی جدید از حافظه هارمونی و شامل حلقه‌ اصلی الگوریتم است. ماتریس حافظه هارمونی، آرایه‌ای است که برای هارمونی‌های جدید ساخته می‌شود. الگوریتم جستجوی هارمونی در انتخاب مقادیر متغیرهای تصمیم از سه قاعده بازبینی حافظه، تعدیل گام و آرایش تصادفی پیروی می‌کند. در بازبینی حافظه، مقادیر متغیرهای تصمیم می‌توانند با احتمال img0 از مقادیر متغیرهای تصمیم در ماتریس حافظه انتخاب شوند. به هنگام تعدیل گام، مقادیر متغیرهای تصمیم می‌توانند با احتمال img0 از دامنه تعریف مقادیر به صورت تصادفی انتخاب شوند. متغیرهایی که بر اساس قاعده بازبینی حافظه تولید شده‌اند می‌توانند با احتمال img0 مقادیری در همسایگی مقادیر فعلی اختیار کنند. این بدان معناست که مقادیر این دسته از متغیرها به احتمال img0 بدون تغيير باقی می‌ماند. ran() مقداری تصادفی است که در بازه img0 انتخاب شده و img0 یک پهنای باند دلخواه و ماکسیمم مقدار تغییر ایجادشده در متغیر انتخابی می‌باشد. آرایه فوق به میزان nNew، ظرفیت نگهداری هارمونی‌های جدید را 
دارد. شکل 1 ماتریس حافظه را نشان می‌دهد. پارامترهای img0، img0 و img0 به ترتیب نشان‌دهنده متغیر تصمیم، تعداد متغیرهای تصمیم و تابع برازش هستند.

گام سوم یک راه حل جدید را با توجه به تعداد عملگرهای مورد نیاز ایجاد می‌کند. در هر بار تکرار حلقه مرحله قبل، موقعیت هارمونی به شکل تصادفی پر می‌شود. برای ایجاد مقدار برای متغیر img0ام، ابتدا یک عدد تصادفی بین صفر و یک تولید و با img0 مقایسه می‌شود. اگر عدد انتخاب‌شده، کوچک‌تر از img0 باشد، متغیر img0ام از ماتریس حافظه مقدار می‌گیرد و در غیر این صورت یک مقدار تصادفی از فضای جستجو به آن اختصاص داده می‌شود. در حالت انتخاب مقدار از ماتریس حافظه، عدد تصادفی دیگری تولید و با img0 مقایسه می‌شود. در صورتی که عدد تصادفی کوچک‌تر از img0 باشد برای تعیین مقدار تغییر بر روی متغیر انتخاب‌شده، پارامتر دیگری به نام img0 تعریف می‌شود. مقدار جدید با توجه به (1) به‌دست می‌آید. به این ترتیب متغیر انتخاب‌شده از ماتریس حافظه به اندازه‌ای کوچک تغییر پیدا می‌کند

img0        (1)

در گام چهارم، حافظه هارمونی به‌روزآوری می‌شود، هارمونی جدید در حافظه HM قرار می‌گیرد و تمام متغیرهای یک جواب یا هارمونی ایجاد می‌شود. سپس ارزش هارمونی با توجه به تابع برازش، محاسبه و با بدترین هارمونی موجود در حافظه ماتریس مقایسه می‌شود. اگر بردار هارمونی جدید از بدترین بردار هارمونی موجود در حافظه هارمونی HM بر مبنای تابع هدف انتخابی بهتر باشد، بدترین هارمونی از مجموعه HM كنار گذاشته می‌شود.

در گام پنجم، شرط توقف الگوریتم کنترل می‌شود. اگر معیار توقف ارضا شود، محاسبه متوقف می‌گردد و در غیر این صورت، مراحل 4 و 5 تکرار می‌شوند. دستیابی به مقدار بهینه، عدم تغییر در بهترین هارمونی ماتریس حافظه یا رسیدن به تعداد تک‌سازهای مشخص از شروط پایان کار الگوریتم هستند. با تکرار این پنج مرحله، الگوریتم به مرور به مقادیر بهینه نزدیک‌تر شده و جواب‌های مسأله بهبود می‌یابد.

در سال 2011، Z. W. Geem، خالق الگوریتم جستجوی هارمونی، نسخه جدیدی از الگوریتم را منتشر کرد 22(IHS) که نیازی به تنظیم پارامترها ندارد. IHS شامل یک تغییر دینامیکی از نرخ درنظرگرفتن حافظه هارمونی img0 [32] بود که تنها مقدار مورد نیاز برای آن، حداکثر تعداد تکرار است. این ویژگی می‌تواند نیاز به دانش نظری در مورد جستجوی هارمونی را مرتفع سازد. در ابتدا الگوریتم پس از اجرا با تعداد کمی تکرار، ماتریس دیگری را با عنوان حافظه عملکردی و با ابعاد مشابه ماتریس حافظه هارمونی ایجاد می‌کند. ماتریس جدید، منشأ عناصر حافظه هارمونی است. اگر عنصری از حافظه هارمونی از مکانیسم بداهه‌سازی حاصل شود، حافظه عملکردی این اطلاعات را ذخیره می‌کند. هر بار که یک راه حل جدید، بهتر از راه حل‌های ذخیره‌شده در حافظه هارمونی، تولید می‌شود، حافظه کاربردی تجدید می‌گردد و در همان زمان، مقادیر پارامترهای img0 و img0 تغییر می‌کنند. همچنین از آنجایی که پارامترها به تعداد عناصر موجود در حافظه هارمونی مربوط به یک 
مبدأ خاص بستگی دارند، در طول فرایند حل به هر یک از متغیرهای تصمیم‌گیری، مقدار متفاوتی از این پارامترها اختصاص می‌یابد [33]. اگر پارامتر img0 به مقدار 1 و یا پارامتر img0 به مقدار صفر برسد، در طول فرایند حل ثابت می‌مانند، زیرا الگوریتم باید بتواند از همگرایی زودهنگام در زمانی که این پارامترها به ترتیب مقادیر نزدیک به 1 و 0 دارند، جلوگیری کند. این امر با استفاده از معادلات کنترلی (2) و (3) انجام می‌شود

img0        (2)

img0        (3)

عبارات img0 و img0 ضرایب نویز با مقادیر پیشنهادی 05/0 و 1/0 هستند. اگر عبارات فوق بین img0 نباشد، img0 و یا img0 مقدار خود را حفظ می‌کند. البته باید توجه داشت که حتی اگر نیازی به تخصیص مقادیر به پارامترهای مشکل نباشد، باز هم باید ضرایب نویز 
img0 را تنظیم کرد. با این حال، [34] احتمال موفقیت برای مقادیر کم img0 و مقادیر بالای img0 را بسیار پایین می‌داند. نویسندگان در این مقاله با پیاده‌سازی مجدد الگوریتم، همه ترکیبات ممکن برای اندازه حافظه هارمونی، میزان درنظرگرفتن حافظه هارمونی و نرخ تنظیم گام را در مجموع 36 حالت مختلف بررسی کرده‌اند و نتایج نشان داده که تنها با نرخ درنظرگرفتن حافظه هارمونی 9/0 همراه با نرخ تنظیم زیر و بم 01/0 یا 1/0 گام می‌تواند راه حل‌های بهینه را ایجاد کند.

3-1 فرمول‌سازی مسأله نگاشت

مسأله نگاشت در دسته‌بندی مسائل NP-hard است و بنابراین برای حل آن در اندازه‌های عملی با قابلیت اجرا، اغلب از شیوه‌های جستجوی فرااکتشافی استفاده می‌شود. در روش‌های فرااکتشافی، شیوه‌های بهینه‌سازی و جستجو اغلب شبه‌تصادفی هستند که کشف و استخراج فضای راه حل بر اساس تجربه‌های به‌دست‌آمده در گذشته انجام می‌شود. در تکنیک‌های مکاشفه‌ای سازنده، راه حل‌های جزئی به‌صورت پشت سر هم تولید می‌شوند و در پایان، راه حل نهایی نگاشت به دست می‌آید. در روش‌های فرااکتشافی برای تصمیم‌گیری در مورد نگاشت هسته‌های شرکت‌کننده در یک برنامه کاربردی، آن را می‌توان به شکل یک گراف اصلی نشان داد که به شرح زیر تعریف می‌شود:

تعریف 1) گراف img0، گرافی جهت‌دار است و هر رأس img0 نشان‌دهنده یک هسته و لبه مستقیم img0 نشان‌دهنده ارتباط بین هسته‌های img0 و img0 است. وزن لبه img0 که با img0 نشان داده می‌شود، پهنای باند مورد نیاز ارتباط از img0 تا img0 را نشان می‌دهد.

تعریف 2) گراف توپولوژی NoC یک گراف جهت‌دار img0 است. هر رأس img0 نشان‌دهنده یک گره در همبندی و لبه جهت‌دار img0 نشان‌دهنده یک پیوند فیزیکی بین رئوس img0 و img0 است. وزن لبه img0 که به صورت img0 نشان داده می‌شود، نشان‌دهنده پهنای باند موجود در عرض لبه img0 است.

نگاشت از گراف هسته img0 بر روی نمودار همبندی img0 توسط تابع نگاشت img0 تعریف می‌شود؛ به‌طوری که تابع img0، هسته img0 را به روتر img0 مرتبط می‌کند. با فرض اتصال هر مسیریاب به یک هسته، نگاشت تنها با شرط img0 تعریف می‌شود.

با توجه به [35] هزینه کل ارتباط برای کاربرد تحت این نگاشت به‌صورت img0 تعریف می‌شود؛ به‌طوری که اگر img0 باشد، پهنای باند مورد نیاز به‌صورت (4) ارزیابی می‌شود

img0        (4)

پیوند بین دو مسیریاب مجزای img0 و img0 دارای حداکثر پهنای باند img0 است. کل آنچه که از طریق چنین پیوندی دریافت می‌شود نباید از این پهنای باند تجاوز کند. مقداری با عنوان img0 توسط (5) تعریف می‌شود که نشان‌دهنده ارزش پهنای باند مورد نظر از طریق پیوند img0 است

img0        (5)

در غیر از این موارد، مقدار آن صفر در نظر گرفته می‌شود. با این حال تمام راه حل‌های نگاشت باید (6) را برآورده سازند

img0        (6)

اگر همه محدودیت‌های پهنای باند برآورده شوند، هزینه ارتباطی یک راه حل نگاشت برابر (7) خواهد بود

img0        (7)

که در آن hopcount تعداد پرش بین گره‌های همبندی است.

تعریف 3) توان مصرفی شبکه در فرایند محاسبه و پردازش و انتقال داده در لینک‌های شبکه با (8) تعریف می‌شود و (9) پردازش داده‌ها را در اندازه یکسان img0 و تنها برای هسته‌های IP نشان می‌دهد

img0        (8)

img0        (9)

با فرض همگن‌بودن هسته‌ها، توان مصرفی ناشی از اجرای وظایف بر روی هر هسته با توجه به [12] به‌صورت (10) خلاصه می‌شود

img0        (10)

پارامترهای ثابت img0، img0، img0 و img0 به‌ترتیب بیانگر انرژی مصرفی برای انتقال یک بیت داده بین دو گره شبکه، انرژی مصرفی سوئیچ، انرژی مصرفی در ناحیه بافر و انرژی مصرفی در سیم‌های ارتباطی درون یک مسیریاب هستند. img0 انرژی مصرفی بین لینک‌های ارتباطی بین دو مسیریاب در همبندی مورد نظر است. از پارامتر انرژی مصرفی در انتقال داده در لینک‌های مرتبط صرف نظر می‌شود زیرا در محیط داخلی تغییر نخواهد کرد. به‌منظور ساده‌سازی با جایگزینی img0 به عنوان انرژی مصرفی توسط مسیریاب به‌صورت (11) خواهیم داشت

img0        (11)

img0 انرژی مصرفی برای انتقال یک بیت از گره img0 به img0 و img0 تعداد گره‌های مسیریابی‌شده برای انتقال یک بیت از گره مبدأ است. بنابراین انرژی مصرفی بین گره‌های img0 به img0 در همبندی مورد نظر از (12) به‌دست می‌آید

img0        (12)

که img0 ترافیک بین دو گره مبدأ و مقصد در نظر گرفته می‌شود.

تعریف 4) تأخیر پردازش داده‌ها در هسته IP یا زمان لازم برای انتقال از گره img0 به گره img0 از طریق مسیر img0 در کوتاه‌ترین مسیر با توجه به [36] به‌صورت (13) محاسبه می‌شود

img0        (13)

که img0 زمان صرف‌شده برای پردازش کار در img0امین هسته IP و img0 زمان مصرفی برای انتقال داده از طریق پیوند img0 را نشان می‌دهد. در (12) پردازش img0 بیت داده بر روی یک هسته IP خاص با (14) تعریف شده است

img0        (14)

که img0 یک ثابت مربوط به نوع هسته IP است. زمان تلف‌شده برای انتقال داده، عمدتاً از تأخیر فیزیکی در خط اتصال و تأخیر تجزیه بسته داده ناشی می‌شود [36]. بنابراین در شرایط استفاده از کوتاه‌ترین مسیر برای محاسبه زمان صرف‌شده در فرایند انتقال از (15) استفاده می‌شود

img0        (15)

که img0، img0 و img0 به ترتیب ثابت‌های img0، خط اتصال و مسیریاب در مورد زمان انتقال هستند.

3-2 بهینه‌سازی تابع هزینه

پارامترهای توان مصرفی و تأخیر هم‌واحد نیستند. بهینه‌سازی، این نیاز را ایجاد می‌کند که این دو پارامتر هم‌ارزش شوند. تابع هزینه بر مبنای وزن‌دهی به لینک‌های ارتباطی در شبکه روی تراشه است. مقدار پارامتر محاسبه‌شده در هر جفت گره از کمترین عدد به‌دست‌آمده برای هر مؤلفه کسر و بر کمترین عدد به‌دست‌آمده تقسیم می‌شود. یکی از جنبه‌های نوآوری در رویکرد پیشنهادی، محاسبه تابع هزینه با امکان کاهش هم‌زمان تأخیر و توان مصرفی است. زیرا اگر تنها توان مصرفی مد نظر باشد، ممکن است منجر به ازحام در شبکه و تأخیر در اجرای برنامه شود و در نتیجه بر کیفیت خدمات تأثیر می‌گذارد. عکس این حالت نیز امکان‌پذیر است. بنابراین در رویکرد ما یک وزن نرمال‌شده در توان و تأخیر جهت یکسان‌سازی ضرب می‌شود. تابع هزینه مورد استفاده در (16) نشان داده شده است

img0        (16)

در این تابع، img0 از (11) و img0 از (8) محاسبه مي‌شود.img0 وزن نرمال‌شده توان مصرفی و img0 وزن نرمال‌شده تأخیر است. فرض گردیده که شبکه مورد نظر دارای img0 لینک ارتباطی است که برای هر لینک مقادیر توان و تأخیر مشخص است. مسافت بین دو گره در شبکه هم با توجه به مسیریابی X-Y محاسبه می‌شود. برای گره‌هایی که با هم در ارتباط هستند، این مقدار 1 و برای گره‌هایی که با یکدیگر ارتباطی ندارند، این مقدار 0 در نظر گرفته می‌شود. این مقدار در توان و تأخیر با وزن‌های مشخص ضرب شده و مجموع آنها تابع هزینه را می‌سازد. وزن‌های نرمال‌شده مذکور به‌منظور یکی‌سازی توان و تأخیر است؛ به نحوی که بتوان این دو پارامتر را با یکدیگر در تابع هزینه جمع نمود.

3-3 فرایند نگاشت با الگوریتم جستجوی هارمونی

چگونگی دستیابی سریع و مؤثر به نتایج نگاشت، بهینه‌سازی مستمر، محاسبات ریاضیاتی کم، مفهوم ساده، پارامترهای کمتر و اجرای آسان‌تر، الگوریتم جستجوی هارمونی را برای حل مسائل بهینه‌سازی گسسته و پیوسته متمایز می‌کند. استفاده از دو بردار حل در هر نسل و استفاده از همه راه حل‌های موجود در حافظه، انعطاف‌پذیری الگوریتم را در جستجوی فضاهای حل افزایش می‌دهد. الگوریتم در مدت زمان مناسبی فضاهای حل را با محدوده عملکرد بهتر شناسایی می‌کند. با این حال همان گونه که قبلاً نیز بیان شد، در صورتی که مسأله مورد مطالعه از بهینگی محلی23 برخوردار باشد دچار مشکل می‌شود و نمی‌تواند به بهینگی سراسری24 برسد. دلیل این مشکل، عدم کارایی مناسب الگوریتم در اجرای جستجوی محلی در مسائل بهینه‌سازی گسسته است.

در رویکرد پیشنهادی بر اساس راهکار [36] و نقش پارامتر img0 در ایجاد تنوع برای نقطه شروع جستجو و ضریب تأثیر img0 در نرخ همگرایی و جستجوی محلی، با روشی مبتنی بر الگوریتم جستجوی هارمونی پس از یافتن نگاشت‌های قبلی، نگاشت بهینه جایگزین می‌شود. در این قسمت به توضیح گام‌های راهکار حل مسأله جستجوی نگاشت پیشنهادی با استفاده از الگوریتم جستجوی هارمونی می‌پردازیم. فلوچارت جریان الگوریتم جستجوی هارمونی با الگوی مسأله نگاشت در شکل 2 نشان داده شده است. در ذیل به توضیح گام‌های اجرای الگوریتم پرداخته شده است.

گام اول) در مرحله راه‌اندازی مسأله بهینه‌سازی و پارامترهای کنترل، img0 مجموعه‌ای از متغیر تصمیم img0 فرض شده است. مقدار هر متغیر تصمیم باید در محدوده img0 قرار گیرد و مقادیر img0، img0، img0 و img0 نیز مقداردهی اولیه شوند. در ابتدا فرض می‌شود که img0 برداری از جواب‌های هارمونی است که در مسأله نگاشت بر روی همبندی شبکه روی تراشه در اولین گام وجود دارد. هر بردار شامل تعدادی متغیر تصمیم‌گیری img0 است که در آن img0 بین 1 تا حداکثر، اندازه حافظه هارمونی img0 و img0 تعداد گره‌های گراف وظایف است. در هر مرحله از الگوریتم تابع هدف باید مینیمم شود. مسأله بهینه‌سازی با (17) تعریف شده است

img0        (17)

که img0 تابع هدف، img0 تابع قیود مساوی، img0 تابع قیود نامساوی و img0 دسته‌ای از گره‌های img0 در محدوده ممکن مقادیر برای تصمیم‌گیری است که در این راهکار شامل تمام گره‌های قابل نگاشت است. در این مرحله پارامترهای الگوریتم هارمونی نیز تعریف می‌شوند که شامل اندازه حافظه هارمونی HMS و یا تعداد بردارهای جواب در حافظه هارمونی، نرخ درنظرگرفتن از حافظه هارمونی25 img0، نرخ تنظیم زیر و بمی26 img0، تعداد متغیرهای تصمیم‌گیری img0 و تعداد بداهه‌سازی27 img0 یا ناحیه توقف الگوریتم هستند. نتیجه، اختصاص یك جمعیت اولیه از بردارهای هارمونی به محلی از حافظه است؛ به‌طوری که تمام بردارهای جواب نگاشت وظیفه در آن ذخیره شوند. اندازه حافظه هارمونی نیز برابر با تعداد بردارها در حافظه هارمونی در نظر گرفته شده است.

گام دوم) در گام دوم حافظه هارمونی (HM) به‌طور دلخواه با (18) و در محدوده img0 مقداردهی اولیه می‌شود

img0        (18)

img0 تابعی تصادفی است که هر مقدار دلخواه را از img0 می‌گیرد.

در شکل 3 نشان داده شده که چگونه در طول فرایند اولیه‌سازی، تعداد معینی از راه حل‌ها به‌طور یکنواخت به صورت تصادفی تولید و در حافظه هارمونی ذخیره می‌شوند. تعداد دقیق راه حل‌های تولیدشده با اندازه حافظه هارمونی مشخص می‌شود.

گام سوم) برای ایجاد یک هارمونی جدید از بردار هارمونی img0 از سه پارامتر کنترلی تنظیم گام، انتخاب دلخواه و درنظرگرفتن حافظه و پهنای باند استفاده می‌شود. پهنای باند، فاصله لازم برای اصلاح بردار هارمونی می‌باشد که نقش مهمی را در مرحله تنظیم گام ایفا می‌کند. به دلیل تأثیر دو مکانیزم انتخاب تصادفی و تنظیم گام، مقادیر جداگانه‌ای برای هر یک از متغیرهای تصمیم تولید می‌شوند. این مکانیزم با احتمال img0 خواهد بود و در موارد غیر، با احتمال img0، مقداری از حافظه هارمونی گرفته می‌شود. پس از آن، این مقدار با تنظیم گام با احتمال img0 اصلاح می‌شود. تنظیمات گام، مقدار را با احتمال50% به یکی از دو مقدار همسایه تغییر می‌دهد و 
در صورتی که فقط 1 مقدار همسایه وجود داشته باشد، با احتمال 50% بدون تغییر باقی می‌ماند و در غیر این صورت به مقدار همسایه یکتا تغییر می‌کند.

 

[1] این مقاله در تاریخ 15 تیر ماه 1401 دریافت و در تاریخ 10 دی ماه 1401 بازنگری شد.

زهرا باقری، گروه مهندسی كامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد پرند، تهران، ايران، (email: bagheri.ati@gmail.com).

فاطمه وردی (نویسنده مسئول)، گروه مهندسی كامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد پرند، تهران، ايران، (email: f.vardi@piau.ac.ir).

علیرضا محجوب، گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج، کرج، ايران، (email: alirezamahjoub.a@gmail.com).

[2] . Feature Size

[3] . Harmony Search

[4] . Exact Mapping

[5] . Search Based Mapping

[6] . Integer Linear Programming

[7] . Non-Integer Linear Programming

[8] . Mixed Integer Linear Programming

[9] . Tabu Search

[10] . Symmetric Multi-Processing

[11] . Contention-Aware

[12] . Deterministic Search

[13] . Heuristic Search

[14] . Branch-and-Bound

[15] . Energy and Performance Aware Mapping

[16] . Transformative Heuristics

[17] . Constructive Heuristics

[18] . Particle Swarm Optimization

[19] . Ant Colony Optimization

[20] . Unified Mapping, Routing and Slot Allocation Algorithm

[21] . Time Division Multiple Access

[22] . Improved Harmony Search

[23] . Optimum Local

[24] . Optimum Global

[25] . Harmony Memory Size

[26] . Pitch Adjustment Rate

[27] . Number of Improvisations

img0 

شکل 2:  فلوچارت جریان الگوریتم جستجوی هارمونی با الگوی مسأله نگاشت.

 

 

img0 

شکل 3:  نمایش اختصاص يك جمعیت اوليه از بردارهاي هارموني به محلی از حافظه.

 

توجه به این نکته مهم است که این احتمال مستقل از راه حل‌های ذخیره‌شده در حافظه هارمونی است و بنابراین احتمال تولید مقدار صحیح برای یک متغیر تصمیم را می‌توان از روش (19) محدود کرد

img0        (19)

می‌توان به‌جای انتخاب تصادفی، حافظه را برای انتخاب هر مقدار ذخیره‌شده در HM با احتمال img0 از طریق (20) در نظر گرفت

img0        (20)

img0 

شکل 4 : بردار جواب بعد از درنظرگرفتن نرخ img0.

 

شیوه نمایش جواب مطابق شکل 4 با توجه به ماهیت پیوسته الگوریتم بین مقادیر حد پایین صفر و حد بالای یک و به‌طور تصادفی برای هر مؤلفه بردار خواهد بود.

گاهی ممکن است که با درنظرگرفتن حافظه هارمونی به جای انتخاب تصادفی، مقدار به‌دست‌آمده به مقادیر همسایه با احتمال img0 منتقل شود. در حالی که با انتخاب تصادفی، مقدار اصلی به‌دست‌آمده با احتمال img0 به سمت همسایه انتقال پیدا نمی‌کند. به این حالت تنظیم گام گفته می‌شود. در اینجا img0 مقداری است که از بررسی حافظه به‌دست آمده و img0 مقدار افزایش  است.  اگر img0 حد  بالایی  (8)  یا  حد  پایینی  (1)  نباشد، img0 برابر 

img0 

شکل 5:  اصلاح بردار جواب الگوریتم هارمونی با مقادير پارامترهاي img0 و img0.

 

img0 

شکل 6:  اولین مرحله، نگاشت از وظیفه به هسته IP.

 

یک و در غیر این صورت برابر با صفر است. در به‌روزرساني HM، هر جزء بردار هارموني جديد، مورد بررسي قرار مي‌گيرد تا مشخص شود كه آيا بايد آن را تنظيم كرد يا خير. در فرآيند در به‌روزرساني HM، از پارامتر img0استفاده مي‌شود كه بر اساس نرخ تنظيم گام اتتخاب‌شده عمل كرده و توسط آن  HM  تنظيم مي‌گردد. فرآيند تنظيم img0 تنها پس از انتخاب HM با (21) انجام مي‌گيرد

img0adjusting decision for:

img0        (21)

به منظور رفع عملکرد ضعیف الگوریتم هارمونی به دلیل استفاده از مقادیر ثابت img0 و img0 و تنظیم مناسب این پارامترها باید مقدار تعداد بهبودها 1img0 را افزایش دهیم تا به حل بهینه دست یابیم. هرچه مقدار پارامتر img0 در تكرارهای ابتدایی بزرگ‌تر باشد موجب می‌شود الگوریتم، تنوع جستجو را در كل فضای مسأله افزایش دهد؛ در حالی که در تكرارهای بعدی که با هدف جستجوی محلی انجام می‌شود برای جستجوهای محدودتر مناسب است. بنابراین مقادیر بزرگ img0 و مقادیر كوچك img0 در تكرارهای پایانی منجر به رسیدن به فضای بهینه و همگرایی به بهینگی می‌گردد. بنابراین الگوریتم هارمونی با مقادیر پارامترهای img0 و img0 به‌صورت پویا در هر تكرار و جداگانه مطابق با (22) و (23) اصلاح می‌گردد

img0        (22)

img0        (23)

که img0، img0، img0 و img0 مقادیر ثابتی هستند که در ابتدای الگوریتم تعریف می‌شوند. img0 شماره تکرار ایجاد بردار حل جدید الگوریتم و img0 شماره تعداد بهبود‌ها برای رسیدن به توقف است. شکل 5 اصلاح بردار جواب الگوریتم هارمونی را با پارامترهای img0 و img0 
و نگاشت گره‌های وظایف بر روی کاشی‌های همبندی در شبکه توری نشان می‌دهد.

گام چهارم) در گام تجدید نظر در حافظه هارمونی، ارزش تناسب بردار هارمونی جدید img0 با ارزش تناسب بدترین بردار هارمونی ذخیره‌شده در حافظه مقایسه می‌شود. اگر اولی مناسب‌تر از دومی باشد، بدترین مقدار هارمونی در حافظه با بردار هارمونی تازه ایجادشده جایگزین می‌شود و در غیر این صورت، بردار هارمونی تازه ایجاد شده نادیده گرفته می‌شود.

img0 

شکل 7:  دومین مرحله، نگاشت از هسته IP به پلتفرم NoC.

 

اگر بردار هارمونی جدید img0 از نظر مقدار تابع هدف، img0 از بدترین هارمونی در HM بهتر باشد، هارمونی جدید در HM لحاظ و بدترین هارمونی موجود از HM حذف می‌شود.

گام پنجم) گام پنجم ارزیابی شرایط فسخ است. در صورت رسیدن به شرایط   خاتمه،   فرایند   تکامل   HSA   متوقف   می‌شود.   شرط   خاتمه   را 

می‌توان با تعداد کل بداهه‌هایی که تا کنون انجام شده است تعیین کرد و در غیر این صورت به مرحله 3 بازمی‌گردد. مرحله 3 یک مرحله حیاتی برای فرایند بداهه‌سازی است. اگر مدل HS به حداکثر تعداد جواب برسد، محاسبات خاتمه می‌یابد و در غیر این صورت مجدداً با درنظرگرفتن یکی از سه مکانیسم بیان‌شده، هارمونی جدید دیگری جستجو می‌شود.

کل نیاز ارتباطی هر هسته با دیگر هسته‌ها با جمع‌بندی برچسب‌های لبه‌های مرتبط با این گره در نمودار هسته تعیین می‌شود. در مرحله بعد هسته‌ها به ترتیب نزولی ارتباطشان مرتب می‌شوند. در اولین مرحله با شروع از یک نقطه اولیه که در آن هیچ تصمیمی برای ارتباط هسته‌ای با مسیریاب‌ها گرفته نشده است، الگوریتم‌ تلاش می‌کند هسته‌ها را انتخاب و به مسیریاب‌ها نگاشت کند. مشکل اصلی چنین رویکردی این است که جفت‌هسته‌هایی که ارتباط بالایی بین خود دارند همیشه نزدیک به یکدیگر قرار نمی‌گیرند. با این حال، الگوریتم با کار بر روی ترتیب لبه‌ها به جای هسته‌ها پس از نگاشت دو هسته روی یک یال، لبه دیگری را برای نگاشت انتخاب می‌کند. در دومین مرحله و در صورت وجود مطابقت بین گره‌های مسیریابی و گره منبع، گره مسیریابی و گره منبع، داده‌ها را از طریق رابط شبکه 2(NI) منتقل می‌کنند. شکل‌های 6 و 7 مراحل نگاشت را نشان می‌دهند.

اکثر رویه‌های نگاشت اکتشافی، یک مرحله پس از پردازش را نیز انجام می‌دهند تا از بهبود حاصل از تغییرات کوچک محلی اطمینان حاصل کنند. آنها با محاسبه هزینه برخی از راه حل‌های نیمه‌نگاشت‌شده، یک مسیریاب را برای نگاشت هسته مورد نظر انتخاب می‌کنند و غالباً تغییر در صورتی پذیرفته می‌شود که به راه حل بهتری منجر گردد. با این حال زمان اجرای کلی الگوریتم افزایش می‌یابد. الگوریتم پیشنهادی ماهیت جامع‌تری دارد و نیاز به انجام چنین تلاش‌هایی برای بهبود تکراری ندارد. این الگوریتم عمیق‌تر به فضای جستجو می‌پردازد که اغلب منجر به صرفه‌جویی در زمان CPU و راه حل‌های نگاشت با کیفیت بهتر در مقایسه با سایر روش‌های مشابه می‌شود. تولید و مرتب‌سازی حافظه اولیه HM اولیه دارای پیچیدگی زمانی img0 می‌باشد و img0 تعداد راه حل‌ها است. هزینه تولید هر بردار هارمونی جدید img0 است. با تکرار جستجو، بردارهای هارمونی بیشتری برای جستجوی راه حل بهینه تولید می‌شوند و هر بار موارد جدید بررسی می‌گردد تا بدترین بردار را در HM با پیچیدگی img0 جایگزین کند. فرایند جستجوی تکراری تا رسیدن 

img0 

شکل 8:  انرژی مصرفی در الگوریتم‌های NMAP، ONMAP، PSMAP، BEMAP، IRC-GHH، SBMAP و HS MAPPIN در کاربردهای مختلف.

 

img0 

شکل 9:  تابع هزینه در الگوریتم‌های NMAP NMAP، ONMAP، PSMAP، BEMAP، IRC-GHH، SBMAP و HS MAPPIN در کاربردهای مختلف.

 

به عدد متناسب تکرار می‌شود و نهایتاً پیچیدگی کلی الگوریتم جستجوی هارمونی، O است.

4-       شبیه‌سازی و ارزیابی نتایج

در  این  بخش،  نتایج  شبیه‌سازی  رویکرد  نگاشت  پیشنهادی  بر  روی 

همبندی توری و الگوریتم مسیریابی XY و سپس مقایسه نتایج با سایر تکنیک‌های نگاشت موجود برای تعدادی از کاربردها ارائه می‌شود. هزینه ارتباط به عنوان معیار شاخص در مورد عملکرد یک شبکه است. در این مقاله، معیار هزینه در الگوریتم‌های متفاوت نگاشت گردیده و رویکرد پیشنهادی بر روی همبندی توری دوبعدی مورد بررسی قرار گرفته است. هر هسته با استفاده از الگوی ترافیک مطابق با وزن یال گراف جهت‌دار img0، پیام‌ها را ارسال می‌کند. برای ارزیابی روش پیشنهادی از شبیه‌ساز دقیق ناکسیم3 [37] استفاده کرده‌ایم. برای هر هسته از یک عامل بدون بعد برای تخمین ویژگی خودشباهتی استفاده شده است. پارامتر Hurst [38] تعداد زیادی منابع پیام را به کمک توزیع پارتو و با فرض img0 جمع‌آوری می‌کند. تمام وظایف به‌صورت انحصاری تعریف شده و هر وظیفه در هر لحظه فقط در یک پردازنده پردازش می‌شود. انرژی مصرف‌شده و تأخیر در مسیریاب و لینک برابر با یک ژول در نظر گرفته شده و همچنین هزینه انتقال یک بیت داده بین دو همسایه برابر عدد ثابت 1 می‌باشد. این روش بر روی 4 گراف استاندارد پیاده‌سازی شده است، به‌طوری که تعداد گره‌های گراف وظایف بر اساس تعداد گره‌های موجود در آن تعیین می‌شوند.

نتایج  مربوط  با  هزینه  ارتباط  در راه‌حل‌های نگاشت  برای  تعدادی  از 

img0 

شکل 10:  گذردهی در الگوریتم‌های NMAP، ONMAP، PSMAP، BEMAP، 
IRC-GHH، SBMAP و HS MAPPIN در کاربردهای مختلف.

 

جدول 1: هزینه ارتباط در الگوریتم‌های نگاشت برای کاربردهای 
مختلف بر روی شبکه روی تراشه مبتنی بر توری.

 

معیار

الگوریتم نگاشت

MWD

PIP

4- MPEG

VOPD

هزینه ارتباطات (گام × BW) در MB/s

 

1376

640

3672

4265

[25] NMAP

1120

640

3567

4119

[26] PSMAP

1280

640

3758

4457

[17] IRC-GHH

1248

640

3633

4217

[28] ONMAP

2336

1088

5383

10552

RANDOM

1370

640

3231

4119

[29] BEMAP

1362

640

3635

4125

[30] SBMAP

1120

640

3631

4119

Ours HS MAPPING

 

کاربردها در جدول 1 نشان داده شده است. کاربرد 4- MPEG، عملکرد بهتری را نشان می‌دهد؛ با این حال چنین تکنیک‌هایی به‌طور کلی زمان اجرای بالایی دارند. در مقایسه با عملکرد تکنیک‌های نگاشت، استراتژی HS عملکرد بهتری دارد. از آنجایی که NMAP الگوریتمی است که به‌طور  گسترده  برای  مقایسه  نتایج  نگاشت  برنامه‌ها  استفاده  می‌شود،  نتایج 

مقایسه با NMAP در جدول 2 مقایسه شده است.

مقایسه نتایج جدول 1 نشان می‌دهد که روش نگاشت HS در فضای جستجوی محلی در اغلب معیارها نتایجی مانند PSMAP ایجاد می‌نماید و تنها در مورد معیار 4- MPEG هزینه ارتباط اندکی افزایش پیدا می‌کند. استراتژی PSMAP در اکتشاف و جایگزینی راه حل‌های محلی مناسب به‌خوبی عمل می‌کند؛ با این حال در اغلب موارد به سختی می‌تواند بین این دو تعادل برقرار کند، زیرا نمی‌تواند فضای جستجو را به‌طور کامل کاوش نماید و بنابراین دارای انعطاف‌پذیری پایین‌تری است. ضمن اینکه در انتخاب فضای جستجو مقیاس‌پذیری کمتری دارد. رویکرد پیشنهادی این مقاله در هر دو مورد بسیار کامل‌تر عمل می‌کند. کاوش بر روی یک جمعیت اولیه کاملاً تصادفی، نتایج امیدوارکننده‌تری در تعداد راه حل‌های کشف‌شده ایجاد می‌کند.

جدول 2 و شکل‌های 8 تا 11 نتایج مقایسه تأخیر، توان مصرفی و توان عملیاتی را برای الگوریتم‌های نگاشت مختلف نشان می‌دهد. برای هر طراحی شبکه روی تراشه انتظار می‌رود که توان عملیاتی شبکه بالا و میانگین تأخیر هر بسته در کمترین مقدار باشد. مقایسه توان مصرفی الگوریتم HS MAPPING پیشنهادی در مقایسه با NMAP برای کاربرد MWD تا 7% صرفه‌جویی بیشتر را نشان می‌دهد. این نسبت صرفه‌جویی در  توان  مصرفی  برای  کاربرد  4- MPEG  98/3%  بوده  است  همچنین 

img0 

شکل 11:  نرخ تأخیر در الگوریتم‌های NMAP، ONMAP، PSMAP، BEMAP، IRC-GHH، SBMAP و HS MAPPIN در کاربردهای مختلف.

 

img0 

شکل 12:  زمان مورد نیاز CPU در الگوریتم‌های NMAP، ONMAP، PSMAP، BEMAP، SBMAP و HS MAPPIN در کاربردهای مختلف.

 

 

[1] . Number of Improvements

[2] . Network Interface

[3] . Noxim

جدول 2: مقایسه گذردهی (µJ/Packe)، تأخیر (Cycle) و توان مصرفی (M Cycles/Packet) در HS MAPPING پیشنهادی در مقایسه با الگوریتم‌های نگاشت مختلف.

 

الگوریتم نگاشت

معیار

VOPD

PIP

MWD

4- MPEG

تأخیر

توان مصرفی

نرخ گذردهی

تأخیر

توان مصرفی

نرخ گذردهی

تأخیر

توان مصرفی

نرخ گذردهی

تأخیر

توان مصرفی

نرخ گذردهی

[25] NMAP

6/92686

80/15

47/0

20/89415

80/12

69/0

70/89936

30/11

62/0

90/92686

80/15

47/0

[26] PSMAP

50/79972

51/14

45/1

20/89415

80/12

69/0

10/64058

51/10

92/0

50/79972

51/14

61/0

[17] IRC-GHH

98/79221

57/17

47/0

100880

80/12

69/0

09/91248

64/13

62/0

87/70635

64/15

62/0

[28] ONMAP

6/93686

95/10

47/0

86/88733

25/10

69/0

57/87665

95/10

62/0

41/87205

62/15

62/0

RANDOM

07/127444

43/21

48/0

100880

91/32

69/0

05/106743

02/14

62/0

16/94181

60/17

62/0

[30] SBMAP

87/93171

71/15

47/0

01/89419

28/10

69/0

70/89936

27/11

62/0

78/82038

36/16

62/0

[29] BEMAP

18/128810

58/15

47/0

28/91818

01/12

69/0

88/104387

258/11

62/0

86/95363

82/14

62/0

Ours HS MAPPING

90/92686

17/15

58/1

20/89415

80/12

69/0

10/64058

51/10

92/0

20/82035

17/15

59/0

 

 

درصد صرفه‌جویی در توان مصرفی برای HS MAPPING پیشنهادی در مقایسه با رویکرد RANDOM در کاربرد MWD تقریباً 83/4% و برای کاربرد 4- MPEG اندکی بیشتر از 25% می‌باشد. با این حال رویکرد 
HS MAPPING پیشنهادی تا 6/32% گذردهی بیشتری نسبت به NMAP  برای  کاربرد  4- MPEG  فراهم  می‌کند  و  تأخیر  هر  بسته  را 49/11% کاهش می‌دهد.

از سوی دیگر، مقادیر مقایسه مشابه برای رویکرد RANDOM به ترتیب 89/12 و 94 درصد است. بیشترین صرفه‌جویی در توان مصرفی الگوریتم پیشنهادی 2/29، 11/61 و 04/25 درصد به ترتیب برای کاربردهای VOPD، PIP و MWD در مقایسه با الگوریتم‌های NMAP و RANDOM است.

به منظور ارزیابی اثرات بهبود استفاده از الگوریتم جستجوی هارمونی برای نگاشت وظایف و تولید راه حل‌های آن در میانگین هزینه ارتباطی نسبت به سایر روش‌ها در بنچ‌مارک‌های مختلف از نتایج شبیه‌سازی بر روی NoCهایی که تعداد هسته‌های بیشتری دارند، مقایسه‌ای بر روی زمان CPU انجام شده است. اگرچه این موضوع در خصوص اغلب روش‌های دقیق برای شناسایی راه‌حل‌های نگاشت بهینه برای یک برنامه کاربردی به خوبی کار می‌کند، با این حال زمان CPU و فضای حافظه مورد نیاز در چنین استراتژی‌هایی حتی برای برنامه‌هایی با تعداد هسته‌های متوسط، بسیار زیاد می‌شود و این افزایش به ترتیب با مجذور حاصل‌ضرب تعداد هسته‌ها و روترها در نمودار هسته و نمودار توپولوژی متناسب است. بهبود تأخیر الگوریتم HS در مقایسه با روش‌های NMAP و RANDOM به ترتیب 27/27 و 98/39 درصد برای کاربردهای VOPD و 4- MPEG و به‌طور مشابه برای کاربرد MWD، 89/12 درصد در مقایسه با رویکرد RANDOM و 49/11 درصد در مقایسه با الگوریتم NMAP است.

با درنظرگرفتن مقادیر NMAP به عنوان واحد، شکل 12 زمان مورد نیاز CPU را در 7 رویکرد NMAP، ONMAP، PSMAP، BEMAP، IRC-GHH، SBMAP و HS MAPPING پیشنهادی مقایسه می‌کند.

لازم است به این موضوع اشاره شود که PSMAP به‌طور متوسط 
به 8/2 درصد زمان بیشتر نیاز دارد؛ در حالی که HS MAPPING پیشنهادی تا 72 درصد زمان کمتری می‌گیرد. زمان مورد نیاز CPU برای الگوریتم HS با رویکردهای PSMAP و ONMAP قابل مقایسه است، زیرا برای همه این معیارها کمتر از 015/0 ثانیه است. شبکه به دلیل نرخ تزریق ترافیک یکنواخت ازدحام ندارد و بنابراین بر اساس شکل 10 گذردهی برای این کاربردها تقریباً ثابت است. تحلیل مقایسه‌ای در این شکل نشان می‌دهد که کیفیت پارامتر گذردهی الگوریتم پیشنهادی و PSMAP از سایر الگوریتم‌های مورد مقایسه برتر است.

5-       نتیجه‌گیری و پیشنهاد کار آتی

این مقاله، یک استراتژی نگاشت بهبودیافته مبتنی بر ساختار گراف و الگوریتم جستجوی هارمونی را برای شبکه روی تراشه مبتنی بر توری ارائه می‌کند. در این روش از همه بردارهای موجود در حافظه برای تولید راه حل جدید استفاده می‌شود. برای مشاهده بهینه‌بودن تکنیک نگاشت پیشنهادی، محاسبه تابع هزینه با امکان کاهش هم‌زمان تأخیر و توان مصرفی فرموله شده است. مقادیر متریک هزینه ارتباطات راه حل‌های نگاشت رویکرد پیشنهادی با برخی رویکردهای موجود از نظر توان مصرفی، میانگین تأخیر شبکه و گذردهی برای نگاشت مقایسه شده است. از مزایای این روش، همگرایی سریع به دلیل ساختار مناسب آن است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهند که در بسیاری از موارد، تکنیک نگاشت پیشنهادی، نتایج مشابهی را با زمان CPU کمتر ایجاد می‌کند. همچنین می‌توان به این نکته اشاره کرد که استراتژی نگاشت پیشنهادی برای شبکه‌هایی که تعداد هسته‌های بیشتری دارند، بهبود بهتری را نشان می‌دهد. کار آینده شامل گسترش رویکرد به شبکه‌های سه‌بعدی و توسعه استراتژی‌های نگاشت با هدف قرار دادن طرح‌های مقاوم به خطا و غیره است.

مراجع

[1]       A. Hemani, et al., "Network on chip: an architecture for billion transistor era," in Proc. of the IEEE NorChip Conf., pp. 166-173, Turku, Finland, Nov. 2000.

[2]       C. L. Chou and R. Marculescu, "Contention-aware application mapping for network-on-chip communication architectures," in Proc. IEEE Int. Conf. on Computer Design, ICCD'08, pp. 164-169, Lake Tahoe, CA, USA, 12-15 Oct. 2008.

[3]       X. S. Yang, "Harmony search as a metaheuristic algorithm search algorithm: theory and applications," Studies in Computational Intelligence, vol 191, pp.1-14, Springer, Berlin, Heidelberg, 2009.

[4]       C. Marcon, T. Webber, and A. A. Susin, "Models of computation
for NoC mapping: timing and energy saving awareness," Microelectronics J., vol. 60, pp. 129-143, Feb. 2017.

[5]       P. Mesidis, Mapping of Real-Time Applications on Network-on-Chip Based MPSOCS, MS Thesis, Department of Computer Science, University of York, Dec. 2011.

[6]       P. K. Sahu and S. Chattopadhyay, "A survey on application mapping strategies for network-on-chip design," J. of Systems Architecture, vol. 59, no. 1, pp. 60-76, Jan. 2013.

[7]       A. Bender, "MILP based task mapping for heterogeneous multiprocessor systems," in Proc. of International Conf. on Design and Automation, vol. 96, pp. 190-197, Sep. 1996.

[8]       K. Srinivasan, K. S. Chatha, and G. Konjevod, "Linear-programming-based techniques for synthesis of network-on-chip architectures," IEEE Trans. on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, vol. 14, no. 4, pp. 407-420, Apr. 2006.

[9]       P. Ghosh, A. Sen, and A. Hall, "Energy efficient application mapping to NoC processing elements operating at multiple voltage levels," in Proc. 3rd ACM/IEEE Intl Symp. on Networks-on-Chip, pp. 80-85, La Jolla, CA, USA, 10-13 May 2009.

[10]       C. Ostler and K. S. Chatha, "An ILP formulation for system-level application mapping on network processor architecture," in Proc. of Design, Automation and Test in Europe, DATE'07, pp. 99-104, Nice, France, 16-20 Apr. 2007.

[11]       J. Hu and R. Marculescu, "Communication and task scheduling of application-specific networks-on-chip," IEEE Proc. Computers & Digital Techniques, vol. 152, no. 5, pp. 643-651, Sept. 2005.

[12]       S. Tosun, "Clustered-based application mapping method for network-on-chip," J. of Advances in Engineering Software, vol. 42, no. 10, pp. 868-874, Oct. 2011.

[13]       R. Marculescu and J. Hu, "Energy-aware mapping for tile-based NoC architectures under performance constraints," in Proc. Asia and South Pacific Design Automation Conf., ASP-DAC'03, pp. 233-239,  Kitakyushu, Japan,2 4-24 Jan. 2003.

[14]       R. Marculescu and J. Hu, "Energy-and performance-aware mapping for regular NoC architectures," IEEE Trans. on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 24, no. 4, pp. 180-187, Apr. 2005.

[15]       M. Reshadi, A. Khademzadeh, and A. Reza, "Elixir: a new bandwidth-constrained mapping for networks-on-chip," IEICE Electronics Express, vol. 7, no. 2, pp. 73-79, 2010.

[16]       R. Pop and S. Kumar, A Survey of Techniques for Mapping and Scheduling Applications to Network on Chip Systems, Technical Report ISSN 1404-0018 04:4, ING Jönköping, 2004.

[17]       C. Xu, et al., "Optimization strategy of regular NoC mapping using genetic-based hyper-heuristic algorithm," Symmetry, vol. 14, no. 8, Article ID: 1637, Aug. 2022.

[18]       C. Xu, Y. Liu, P. Li, and Y. Yang, "Unified multi-objective mapping for network-on-chip using genetic-based hyper-heuristic algorithms," IET Comput. Digit. Tech, vol. 12, no. 4, pp. 158-166, Jul. 2018.

[19]       H. M. Ali, S. Ashrafinia, and J. Liu, "Wireless mesh network planning using quantum inspired evolutionary algorithm [C]," in Proc. IEEE Conf. on Vehicular Technology, 5 pp., San Francisco, CA, USA, 5-8 Sept. 2015.

[20]       Y. Xie and Y. Liu, "A research on NoC mapping with quantum
ant colony algorithm," in International Conf. on Wireless Communications, Signal Processing and Networking, WiSPNET'17,  pp. 874-877, Chennai, v20-24 Mar. 2017.

[21]       E. Carvalho, N. Calazans, and F. Moraes, "Dynamic task mapping for MPSoCs," IEEE Design and Test of Computers, vol. 27, no. 5, pp. 26-35, Sept./Oct. 2010.

[22]       T. Lei and S. Kumar, "A two-step genetic algorithm for mapping task graphs to a network on chip architecture," in Proc. of the Euromicro Symp. on Digital System Design, DSD'03, pp. 180-187, Belek-Antalya, Turkey, 1-6 Sept. 2003.

[23]       A. Hansson, K. Goossens, and A. Radulescu, "A unified approach to constrained mapping and routing on network-on-chip architectures," in Proc. IEEE/ACM Int Conf. on Hardware/Software Codesign and System Synthesis, CODES+ISSS'05, pp. 75-80, Jersey City, NJ, USA,19-21 Sept. 2005.

[24]       W. T. Shen, C. H. Chao, Y. K. Lien, and A. Y. Wu, "A new binomial mapping and optimization algorithm for reduced-complexity mesh-based on-chip network," in Proc. of First Int. Symp. on Networks-on-Chip, NOCS'07, pp. 317-322, Princeton, NJ, USA, 7-9 May 2007.

[25]       S. Murali and G. De Micheli, "Bandwidth constrained mapping of cores onto NoC architectures," in Proc. of Design, Automation, and Test in Europe Conf. and Exhibition, vol. 2, pp. 896-901, Feb. 2004.

[26]       P. K. Sahu, P. Venkatesh, S. Gollapalli, and S. Chattopadhyay, "Application mapping onto mesh structured network-on-chip using particle swarm optimization," in Proc. IEEE Int. Symp. VLSI, ISVLSI'11, pp. 335-336, Chennai, India, 4-6 Jul. 2011.

[27]       S. Murali and G. De Micheli, "Bandwidth constrained mapping of cores onto NoC architectures," in Proc. of Design, Automation, and Test in Europe Conf. and Exhibition, DATE'04, vol. 2, pp. 896-901, Paris, France, 16-20 Feb. 2004.

[28]       S. Khan, et al., "An optimized hybrid algorithm in term of energy and performance for mapping real time workloads on 2d based on-chip networks," Springer Science + Business Media, LLC, Part of Springer Nature, vol. 48, no. 12, pp. 4792-4804, Dec. 2018.

[29]       S. Khan, et al., "An efficient algorithm for mapping real time embedded applications on NoC architecture," IEEE ACCESS, vol. 6, pp. 16324-16335, 2018.

[30]       S. Khan, S. Anjum, U. A. Gulzari, T. Umer, and B. S. Kim, "Bandwidth-constrained multi-objective segmented brute-force algorithm for efficient mapping of embedded applications on NoC architecture," IEEE ACCESS, vol. 6, pp. 11242-11254, 2017.

[31]       G. Z. Woo, K. J. Hoon, and G. Loganathan, "A new heuristic optimization algorithm: harmony search," Simulation, vol. 76, no. 2, pp. 60-68, Feb. 2001.

[32]       Z. W. Geem and Y. H. Cho, "Optimal design of water distribution networks using parameter-setting-free harmony search for two major parameters," J. of Water Resources Planning and Management,
vol. 137, no. 4, pp. 377-380, Oct. 2010.

[33]       N. Theodossiou and I. Kougias, "Harmony search algorithm," WIT Trans. on State of the Art in Science and Engineering, vol. 56, Ch. 7, 25 pp., Jul. 2012.

[34]       P. K. Sahu, K. Manna, T. Shah, and S. Chattopadhyay, "A constructive heuristic for application mapping onto mesh based network-on-chip," J. of Circuits, Systems, and Computers, vol. 24, no. 8, Article ID: 1550126, Aug. 2015.

[35]       C. Marcon, et al., "Exploring NoC mapping strategies: an energy and timing aware technique," in Proc. Design, Automation and Test in Europe, pp. 502-507, Munich, Germany, 7-11 Mar. 2005.

[36]       M. Mahdavi, M. Fesanghary, and E. Damangir, "An improved harmony search algorithm for solving optimization problems," Appl Math Comput., vol. 188, no. 2, pp. 1567-1579, May 2007.

[37]       "Noxim, http://noxim.sourceforge.net [available on dated: 01.08.2014]."

[38]       D. Fernandes, M. Neto, L. F. B. Soares, M. M. Freire, and P. R. M. Inácio, "Chapter 10-on the self-similarity of traffic generated by network traffic simulators," Modeling and Simulation of Computer Networks and Systems, pp. 285-311, 2015.

 

زهرا باقری مدرک کاردانی خود را در رشته نرم افزار از دانشگاه علم و صنعت اراک در سال 1383 و مدرک کارشناسی خود را در رشته فناوری اطلاعات از جهاد دانشگاهی تهران در سال 1395 دریافت نمود. همچنین طی سال­های 1396 تا 1400 مشغول تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد در رشته معماری سیستم­های کامپیوتری در دانشگاه آزاد اسلامی واحد پرند بود. زمینه علمی مورد علاقه ایشان امنیت شبکه­های کامپیوتری می­باشد.

 

فاطمه وردی مدرک کارشناسی خود را در رشته کامپیوتر از دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب در سال 1384دریافت نمود. همچنین، تحصیلات خود در مقطع کارشناسی ارشد و دکتری را در رشته معماری سیستم­های کامپیوتری به­ترتیب در سال 1388و 1395 در دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات به اتمام رساند و هم­اکنون استادیار دانشکده کامپیوتر دانشگاه آزاد اسلامی واحد پرند است. زمینه­های تحقیقاتی مورد علاقه ایشان شبکه­های میان ارتباطی، معماری سیستم­های چند پردازنده­ای و مدیریت توان و کارایی در سیستم­های نهفته است.

 

علیرضا محجوب مدرک کارشناسی خود در رشته منابع طبیعی را از دانشگاه آزاد اسلامی واحد نوشهر و چالوس در سال 1373 دریافت کرد. همچنین طی سال­های 1396 تا 1398 مشغول تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد در رشته معماری سیستم­های کامپیوتری در دانشگاه آزاد اسلامی واحد پرند بود. از سال 1399 تا کنون نیز در مقطع دکتری معماری سیستم­های کامپیوتری در دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرج مشغول به تحصیل است. زمینه­های علمی مورد علاقه ایشان شامل موضوعاتی مانند محاسبات نانو الکترونیک، یادگیری ماشین کوآنتومی و پردازش هوشمند  می­باشد.

 

 

 

 

 

 


Related articles

The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2017-2024

Home| Login| About Rimag| Contact Us|
[فارسی] [العربية] [fa] [ar]