三维光电混合片上网络架构研究

发布时间：2020-06-02 12:14

【摘要】：随着高性能计算、大数据和人工智能等应用领域的迅猛发展,人们对芯片的计算能力要求越来越高,单核处理器在频率和温度上的瓶颈已经日益凸显,因此可在较低主频下达到更高性能的多核处理器成为必然发展趋势。但随着单个芯片上集成的处理器核数目越来越多,片上网络(Network on Chip,NoC)由于电互连高时延、高能耗等缺点限制了未来多核处理器性能的进一步提升。与CMOS工艺兼容的硅光技术不断成熟和光互连所具有的低时延、高带宽以及低能耗的特性使得光片上网络(Optical Network on Chip,ONoC)成为新的研究热点。然而传统的二维光片上网络的波导交叉的数量、通信距离和芯片面积限制了光片上网络的可扩展性。三维集成技术通过将单层网络转变为多层网络,有希望解决二维光片上网络的问题。因此,三维光电混合网络受到众多研究者的青睐。本文总结了三维光电混合架构的研究现状,并对现有的一些问题给出了解决方案。首先,我们对光片上网络的交换机制进行了研究。在基于光电路交换的片上网络中,建链分组在预约光路径的过程中一旦发现输出端口被占用,只能阻塞在当前节点等待端口释放。而当前被阻塞的分组又会进一步阻塞其他分组,此情况极大的降低了链路的利用率并造成单一节点的阻塞迅速扩散至网络其他节点,从而降低了网络的时延和吞吐等性能。针对此问题,我们提出了称作HTRM的通信方法,该方法结合预测建链分组在路由器需要等待的时间和该分组阻碍其他分组数目两个指标设定规则,并根据这些规则对建链分组进行重传,从而及时释放预约的资源,提高链路利用率。仿真表明,对比传统的通信方法,在合成流量模型下,HTRM的网络时延至少降低了40%,吞吐提高了30%;在科学应用流量下,HTRM的加速比平均提升了5%。其次,我们对具有大规模节点的三维片上网络进行了研究。性能良好的片上多核系统需要良好的架构支持。虽然HTRM通信方法可以在一定程度上提高网络的性能,但是当网络规模扩大后,还是无法解决通信过程的距离过长、时延过高、损耗过大等问题。为此,我们设计了低时延、低损耗三维光电混合片上网络架构——Venus。结合波长路由技术和三维集成技术,确保了每两个节点的通信距离只有一跳,且任何不同子网中两个节点之间实现了无阻塞通信,进而降低了片上网络的平均端到端通信时延。我们通过使用多个环形结构,并设计环与环之间的光网络接口,减少了波导交叉数量和关键路径上经过微环的数量,降低了光信号损耗和串扰。仿真结果表明在千核规模下,所设计的三维光电混合片上网络架构与基于三维mesh结构的网络相比,平均时延降低了75.3%,吞吐提高了77.9倍,最坏插入损耗减少了64.2%,与最先进的网络架构相比,平均时延和吞吐几乎持平,最坏插入损耗减少40.1%。最后,我们对特殊应用的三维片上网络进行了研究。Venus在千核节点下都具有出色的性能。但是Venus也存在通用型网络架构的一些普遍性问题:第一,在多播流量中Venus的性能较差;第二,Venus的网络带宽分配较为均匀,在一些流量不对称的应用中,网络性能会变得较差。而近年来的研究热点——神经网络应用的实现中就会产生上述两点流量特性。因此,我们提出了面向大规模卷积神经网络的三维异构混合片上网络——CHNoC。采用光电混合互连,将带宽需求不同的卷积神经网络层映射到不同的硬件层上,利用卷积神经网络中流量不对称性有针对性的设计分级互连方式,以此提高带宽的利用率。
【图文】：

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2.1 光电路交换机制交换机制是网络通信的重要组成部分，交换机制的选择严重的影响到时延，吞吐等网络性能，因此交换机制一直是研究热点。光电路交换作为典型的交换机制在ONoC 中有着广泛的应用。光电路交换中采用“电控制光传输”的方式来完成通信请求。通过使用电控制网络提前预约物理链路的方式以保证数据分组在光网络中的正确传输。传统的光电路交换（Traditional Optical Circuit Switching，TOCS）机制的过程分为四个阶段：首先，，源节点通过电控制网络向目的节点地发送一个建链分组，该建链分组会预约沿途路径的链路资源；其次，当建链分组到达目的节点地时，目的节点会创建一个确认（Acknowledgement，ACK）分组，并将其通过建链分组所预约的路径反向传输给源节点，通知源路径被完全保留；然后，在源节点接收到 ACK 分组后，有效负载数据分组被发送到光网络，有效负载数据包沿着建链分组预约的路径传输；最后，在有效负载数据分组被传输后，拆链分组将通过电控制网络从源发送到目的地，以释放预留的链路资源。

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西安电子科技大学硕士学位论文个被阻塞的分组，图 b）表示被阻塞的分组进一步阻塞其他分组，图 c）表示一组的阻塞慢慢造成全网阻塞。以上情况造成单一节点的阻塞扩散至网络其他节点大的降低了链路的利用率，从而降低了网络的时延和吞吐等性能。为了解决上述问题，本章提出了网络状态感知的通信方法（HTRM），该方法预测建链分组在路由器需要等待的时间和该分组阻碍其他分组数目两个指标设则，并根据这些规则对建链分组进行重传，从而及时释放预约的资源，提高链用率。.2 网络状态感知的通信方法作为例子，我们在 2D Mesh 拓扑中实现我们设计的通信方法。如图 2. 2 所示于 Mesh 的 ONoC 由重叠的两层网络组成，即电控制网络和光传输网络。电控制负责路径预约和路由器配置，而光传输网络负责数据的传输。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN47

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