多处理器系统光互连网络技术研究
发布时间：2020-07-19 15:35
【摘要】： 随着高性能计算的发展,多处理器系统对处理器芯片之间、处理器与存储器之间互连网络的性能要求也日益增加。由于传统的电互连技术存在带宽受限、串扰严重、功耗过高等问题,人们开始探索新的技术以提高互连带宽,降低通讯延时。光互连作为一种新的互连方式,具有带宽高、功耗低、延迟小、抗干扰能力强等许多电互连不可比拟的优点,近年来已经逐渐应用到板间和片间的互连网络系统中。由于短距离光互连技术发展时间短,许多关键技术的发展依然不成熟,有许多难点需要克服。研究芯片间光互连网络技术,需要结合光通讯互连特性,设计专用的网络结构和适合于作短距离通信的光互连技术。 本文针对多处理器互连网络的特点,结合已有的短距离光通信技术,对互连网络的结构特点和光传输技术做了理论和实验研究。首先分析了现有的几种光总线互连网络的互连性能特点,总结了其中用到的光互连结构的优势,并研究了其中存在的不足。在总结多种光总线型网络结构的互连特点和优势的基础上,提出了一种适用于多处理器系统下的新型网络结构CSAPID。在CSAPID网络中,利用光波长作为互连节点的地址信息,对网络中传输的光信号做路由交换。这种网络结构中数据传输延时低,节点间互连带宽高,可以有效改进系统节点间的互连性能。与同样使用这种机制的RAPID网络相比,在CSAPID的设计中考虑到多处理器系统的互连实际,对相邻节点之间的互连性能做了进一步优化。使用OMNeT++对网络性能做模拟实验验证,在网络中节点数目较多时,CSAPID比RAPID网络的数据延时低。当远程访问发生概率较小时,与之相比对网络信号传输延时的降低更明显。 本文针对多处理器光互连系统中遇到芯片间互连的物理需要出发,对光信号在传输过程中遇到的信号传输损耗问题进行了分析研究,提出了板间光互连网络的转向损耗计算方法。对上述研究在分析的基础上,使用实验数据对结论进行了验证。 实验评测结果表明,CSAPID网络可以有效改进多处理器系统的互连网络性能,特别对于相邻节点间的互连有较大的改善效果。本文提出的板间光互连技术的信号损耗计算方法,符合实际情况,可以作为实现板上光互连网络的参考。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP332
【图文】：
本章首先说明课题的研究背景及意义，然后在介绍国内外相关研究的基础上，主要工作，给出全文的组织结构。§1.1 课题研究背景1.1.1 互连网络技术发展现状网络通信和高性能计算机技术是整个信息技术的制高点，已成为衡量一个国家重要标志。在现阶段的技术条件下，芯片性能的增长速度已远远超越了互连网长速度。随着计算机技术的不断发展，处理器芯片的 I/O 带宽需求越来越大。机系统逐渐向多处理器方向发展，在高性能计算领域，一个大型的计算系统往千计的处理器芯片，这种情况导致处理器之间互连网络性能受到越来越巨大的注意的是，在过去的三十年里，处理器的运算速度基本上遵循摩尔定律，平均倍。与之对应的，处理器间的互连网络性能的增长已经逐渐不能满足处理器间的要求[1][2]。
图 2.1 美国 Texas 大学光背板[19]SLC-card withsurface wiring 48-waveguide arraywith coupling mirrorsSilicon carrier withsurface wiring and vias*12 VCSEL Array4*12-ch Laserdriver IC4*12-chReceiver IC4*12 PD ArrayTransmitter -OptochipReceiver-Optochip图 2.2 芯片间互连技术示意图[25]片间光互连的研究包括光电转换器件的设计和选型，片间光互连链路的制备和结构设网络组织设计等多方面的内容。如图示，为一个简单的片间互连结构，其中使用光互术连接两个 IC 芯片，在芯片内部使用一个 4×12 的 VCSEL(Vertical-Caviace-emiting Laser)激光器阵列作为芯片光信号的输出，使用 4×12 的 PD(Photo Detcto收到的光信号做光电转换，成为芯片可以处理的电信号。
图 2.5 RAPID 网络示意图[18]从图中的组织结构可以看出，任意一个节点可以通过组内的光总线通道 IGI(Intragrouperconnect)与组内其他节点形成全互连结构；同样的，群内任意组可以与其他组之间通过间光总线通道 SIGI(Scalable intergroup interconnect)互连，群间互连通过群间的互连总线道 SIGI(Scalable Intergroup Interconnect)实现全光互连[12][18][30][31]。2.2.2.1 波长分配策略网络采取波长复用技术，减少了光链路的数目。在系统中使用的波长数目为构成一个的节点数目的最大值。光通讯窗口集中于 850nm、1310nm、1550nm、1650nm 等几个波，其中使用密集波分复用技术后，可以将多个波长的光波复用在一条光纤中。当前光通中使用的波长集中于 1310nm-1550nm 波段，利用光波的非线性效应，对激光器的输出光进行调制而获得需要的光波长。这种技术的应用不能得到任意的可复用的波长，且为了效的区分不同波长的光信号，波长之间的差值不能太小。采用密集波分复用技术，可以 1310nm-1550nm 波段获得近百个不同波长的光波。由于在网络中采用波长作为节点的地信息，因此对于不采用波长复用机制的全互连网络，这个数目就决定了网络的规模。这情况远小于多处理器系统对节点的规模要求，而 RAPID 网络结构采用波长复用机制，
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP332
【图文】：
本章首先说明课题的研究背景及意义，然后在介绍国内外相关研究的基础上，主要工作，给出全文的组织结构。§1.1 课题研究背景1.1.1 互连网络技术发展现状网络通信和高性能计算机技术是整个信息技术的制高点，已成为衡量一个国家重要标志。在现阶段的技术条件下，芯片性能的增长速度已远远超越了互连网长速度。随着计算机技术的不断发展，处理器芯片的 I/O 带宽需求越来越大。机系统逐渐向多处理器方向发展，在高性能计算领域，一个大型的计算系统往千计的处理器芯片，这种情况导致处理器之间互连网络性能受到越来越巨大的注意的是，在过去的三十年里，处理器的运算速度基本上遵循摩尔定律，平均倍。与之对应的，处理器间的互连网络性能的增长已经逐渐不能满足处理器间的要求[1][2]。
图 2.1 美国 Texas 大学光背板[19]SLC-card withsurface wiring 48-waveguide arraywith coupling mirrorsSilicon carrier withsurface wiring and vias*12 VCSEL Array4*12-ch Laserdriver IC4*12-chReceiver IC4*12 PD ArrayTransmitter -OptochipReceiver-Optochip图 2.2 芯片间互连技术示意图[25]片间光互连的研究包括光电转换器件的设计和选型，片间光互连链路的制备和结构设网络组织设计等多方面的内容。如图示，为一个简单的片间互连结构，其中使用光互术连接两个 IC 芯片，在芯片内部使用一个 4×12 的 VCSEL(Vertical-Caviace-emiting Laser)激光器阵列作为芯片光信号的输出，使用 4×12 的 PD(Photo Detcto收到的光信号做光电转换，成为芯片可以处理的电信号。
图 2.5 RAPID 网络示意图[18]从图中的组织结构可以看出，任意一个节点可以通过组内的光总线通道 IGI(Intragrouperconnect)与组内其他节点形成全互连结构；同样的，群内任意组可以与其他组之间通过间光总线通道 SIGI(Scalable intergroup interconnect)互连，群间互连通过群间的互连总线道 SIGI(Scalable Intergroup Interconnect)实现全光互连[12][18][30][31]。2.2.2.1 波长分配策略网络采取波长复用技术，减少了光链路的数目。在系统中使用的波长数目为构成一个的节点数目的最大值。光通讯窗口集中于 850nm、1310nm、1550nm、1650nm 等几个波，其中使用密集波分复用技术后，可以将多个波长的光波复用在一条光纤中。当前光通中使用的波长集中于 1310nm-1550nm 波段，利用光波的非线性效应，对激光器的输出光进行调制而获得需要的光波长。这种技术的应用不能得到任意的可复用的波长，且为了效的区分不同波长的光信号，波长之间的差值不能太小。采用密集波分复用技术，可以 1310nm-1550nm 波段获得近百个不同波长的光波。由于在网络中采用波长作为节点的地信息，因此对于不采用波长复用机制的全互连网络，这个数目就决定了网络的规模。这情况远小于多处理器系统对节点的规模要求，而 RAPID 网络结构采用波长复用机制，
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 王小龙,严清峰,刘敬伟,陈少武,余金中;湿法腐蚀制备的SOI光波导(英文)[J];半导体学报;2003年10期
2 王晓明,王志功,黄
本文编号：2762607
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