Ultrakompakte Mikronetze Was ist Network-on-a-Chip?

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Wissenschaftler haben in den vergangenen Jahren nicht nur Computersysteme geschrumpft, sondern auch ganze Netzwerke. Wie große Netze bestehen Networks-on-a-Chip aus Routern, Netzwerkadaptern und Verbindungen dazwischen. All dies ist aber winzig klein und befindet sich innerhalb spezialisierter Halbleiter.

Um Network-on-a-Chip (NoC) oder auch Network-on-Chip zu verstehen, muss man sich zuerst mit System-on-a-Chip (SoC) beschäftigen. Wie der Name nahelegt, enthält ein solches „System auf einem Chip“ bereits nahezu alle oder sogar alle essentiellen Komponenten eines ansonsten weit größeren Computers. Dazu gehören Elemente wie ein Prozessor, Arbeitsspeicher, Einheiten zur Ein- und Ausgabe von Daten sowie Storage.

Die verschiedenen Module in einem oder mehreren SoCs müssen miteinander kommunizieren. Dafür wurden bislang vor allem verschiedene Bus-Technologien oder Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet.

Die haben aber mehrere Nachteile. So ist etwa nur eine Datenübertragung zwischen zwei Teilnehmern gleichzeitig möglich, während andere Teilnehmer warten müssen. Klassische Netzwerktechnologien sind weit flexibler.

Dedizierte Mikronetze in Chips

Das hat dazu geführt, dass die Grundlagen der Vernetzung nun auch auf die Kommunikation zwischen Modulen in einem System-on-a-Chip angewendet werden. Spezielle Networks-on-a-Chip ermöglichen deutliche Verbesserungen bei Leistung, Skalierbarkeit und Flexibilität gegenüber herkömmlichen Bus-basierten oder Punkt-zu-Punkt-Strukturen.

NoCs müssen hohe Anforderungen an die Dienstqualität erfüllen. So müssen sie selbst unter erschwerten Bedingungen, wenn etwa die Signalqualität schlecht ist, zuverlässig arbeiten und bestimmte vorgegebene Bandbreiten sowie minimale Latenzen einhalten. Außerdem müssen sie Zeit Energie-effizient arbeiten, um weniger Abwärme zu produzieren und Kosten zu sparen.

Die Chiphersteller haben daher spezielle Netzwerkprozessoren mit proprietären Kernen und integrierten Speicher-Subsystem entwickelt. Sie erhöhen die Leistung in den mikroskopisch kleinen Netzwerken.

Nach Aussage von Peng Zhang, Fachbuchautor und Professor im Department of Electrical and Computer Engineering der Stony Brook University in New York, sind sie jedoch auf die Netzwerk-Layer 2 und 3 beschränkt. Einer der wichtigste Gründe dafür ist der Platzmangel in den Mikrochips.

Prinzipieller NoC-Aufbau

Ein Network-on-a-Chip besteht in der Regel aus den folgenden drei Hauptkomponenten:

• 1. Der erste Teil sind die Netzwerkadapter beziehungsweise Netzwerkschnittstellen. Sie trennen den Computing-Bereich von der Kommunikationsebene und stellen die logischen Verbindungen zwischen den IP-Kernen und dem Mikronetz her. Die Adapter bestehen meist aus zwei Komponenten, einem Frontend für die Anfragen des Kerns und einem Backend für das Netzwerk.

• 2. Der zweite wesentliche Bereich sind die Router, die die Netzwerkprotokolle umsetzen und Daten weiterleiten beziehungsweise empfangen. Dazu sind sie mit mehreren Input- sowie Output-Schnittstellen sowie einem lokalen Port zur Anbindung an den IP-Kern ausgestattet. Ein zusätzlicher logischer Block ist für typische Netzwerkaufgaben wie Routing, Flow Control, Pufferung sowie Switching zuständig.

• 3. Der dritte Teil sind die so genannten Links. Sie verbinden die verschiedenen Knoten physisch miteinander und sind damit für die eigentliche Kommunikation verantwortlich. Die Links sind mit Kabeln in einem herkömmlichen Netzwerk vergleichbar. Sie können aus ein oder mehreren logischen oder physischen Kanälen bestehen, die jeweils wiederum aus einem oder mehreren Drähten gefertigt werden.

Unterschiedliche NoC-Topologien

Je nachdem wie die Router in einem Network-on-a-Chip miteinander verbunden sind, lassen sich daraus unterschiedliche Topologien ableiten. Bei einer direkten Topologie ist jeder Kern mit genau einem Router verbunden. Gemeinsam werden sie auch als Node-in-a-Network bezeichnet. Verbindungen zwischen zwei solchen Nodes müssen nicht immer nur direkt, sondern können auch über andere Knoten laufen.

Von einer indirekten Topologie spricht man dagegen, wenn nicht jeder Kern mit einem dedizierten Router verbunden ist. Stattdessen kann es zum Beispiel zwei Kerne geben, die mit ein- und demselben Router verknüpft sind oder auch Router, die mit gar keinem Kern direkt zusammenhängen. Letztere dienen dann nur dazu, Datenpakete im Netzwerk weiterzuleiten.

Networks-on-a-Chip werden intensiv weiterentwickelt. Wissenschaftler arbeiten an Verbesserungen wie CNT-basierten Verbindungen (CNT = Carbon Nanotube) , 3D-on-Chip-Kommunikation oder drahtlosen Verbindungen zwischen SoCs. Das Ziel sind neuartige NoCs für spezifische Anwendungsbereiche.

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