本文關(guān)鍵詞：高性能計算機無緩存光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)》 2009年

高性能計算機無緩存光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

齊星云  

【摘要】： 作為解決大規(guī)模計算問題的重要手段,高性能計算機被越來越廣泛地應(yīng)用到科學(xué)與工程的各個領(lǐng)域。隨著高性能計算技術(shù)的發(fā)展,高性能并行計算機的規(guī)模不斷擴大,對系統(tǒng)性能的要求也不斷提高。當(dāng)前,提高大規(guī)模并行計算機的性能主要從兩個方面著手:單個計算結(jié)點性能的提高以及連接各計算結(jié)點的高速互連網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與改進。隨著并行計算機規(guī)模的不斷增大,需要在更多的計算結(jié)點之間實現(xiàn)高效的互連,這對其內(nèi)部的高速互連網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何設(shè)計大規(guī)模并行計算機內(nèi)部的高帶寬、高吞吐率、低延時的互連網(wǎng)絡(luò),提高結(jié)點互連的效率和性能,已成為高性能計算機體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中亟待解決的重點和難點問題。 在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下,以銅導(dǎo)線為傳輸介質(zhì)的的電互連網(wǎng)絡(luò)存在帶寬低,功耗高,抗干擾能力差,互連密度小等不足,成為制約并行互連網(wǎng)絡(luò)性能進一步提高的瓶頸。光互連技術(shù)作為一種新的互連方式,具有帶寬高、功耗低、延時小、抗干擾等許多電互連不可比擬的優(yōu)點,成為并行計算機高速互連網(wǎng)絡(luò)的研究熱點之一。但是,在當(dāng)前技術(shù)條件下,由于無法有效地實現(xiàn)光信號的緩存和邏輯處理,在一般的光互連系統(tǒng)中,需要在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點上將到達的光信號轉(zhuǎn)換為電信號再進行路由判斷和緩存,這勢必引入額外的傳輸延時。本文以降低光互連的額外開銷,提高互連網(wǎng)絡(luò)的實際性能為目標(biāo),針對當(dāng)前光互連技術(shù)遇到的障礙,研究了高性能計算機內(nèi)部無緩存的高速光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù),提出了一種不需要在中間結(jié)點進行光電轉(zhuǎn)換的無緩存的光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)BOIN(Bufferless Optical Interconnection Network),研究了其路由算法及其容錯技術(shù),同時對BOIN網(wǎng)絡(luò)的性能進行了建模分析和優(yōu)化設(shè)計。論文的主要研究成果包括以下幾個方面: 1、針對當(dāng)前光互連網(wǎng)絡(luò)中無法進行有效的光緩存以及直接邏輯判斷的不足,提出了一種不需要在中間結(jié)點上將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進行緩存排隊和路由選擇的BOIN光互連結(jié)構(gòu)。在BOIN網(wǎng)絡(luò)中,光數(shù)據(jù)報文始終在光鏈路上傳輸,其在中間結(jié)點上的路由判斷與選擇由與其同步傳輸?shù)碾娍刂茍笪膶崿F(xiàn),從而避免了對光信號進行光電轉(zhuǎn)換。在文中研究了BOIN網(wǎng)絡(luò)的鏈路協(xié)議及端口沖突解決技術(shù),提出了無死鎖/無活鎖的路由算法,證明了路由算法的可達性,指出采用該路由算法,BOIN網(wǎng)絡(luò)中的任何報文都必定在有限的時間內(nèi)由源結(jié)點傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點,并給出了這個由網(wǎng)絡(luò)規(guī)模所決定的傳輸延時上限。 2、為了準(zhǔn)確地刻畫和評價BOIN網(wǎng)絡(luò)的性能,本文運用數(shù)學(xué)工具,分析了網(wǎng)絡(luò)在各個方向鏈路上的流量特征,并為其建立了數(shù)學(xué)模型,得到了BOIN網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和負(fù)載一定的情況下,其報文傳輸平均延時和平均吞吐率等性能指標(biāo)的解析表達式。同時根據(jù)理論分析結(jié)果,給出了在一定的網(wǎng)絡(luò)總規(guī)模下網(wǎng)絡(luò)性能達到最優(yōu)時其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足的條件。模擬結(jié)果顯示,該模型正確反映了BOIN網(wǎng)絡(luò)的性能特征,為網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計提供了分析依據(jù)。 3、BOIN網(wǎng)絡(luò)是為了實現(xiàn)高性能計算機內(nèi)部的高速互連而設(shè)計的一種光電互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此如何采取有效的方法,切實提高其互連性能,是本文的研究重點之一。文中著重研究了BOIN網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化技術(shù),包括避免結(jié)點餓死的路由算法,以及具有高吞吐率和高鏈路利用率的BOIN2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用BOIN2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在只需要增加少許硬件資源的條件下,可以獲得明顯的性能增長。文中研究了BOIN2網(wǎng)絡(luò)的路由算法,證明了其與標(biāo)準(zhǔn)BOIN網(wǎng)絡(luò)相類似,同樣具有無死鎖/無活鎖以及有限傳輸延時上限等性質(zhì)。模擬結(jié)果表明這些性能優(yōu)化技術(shù)能夠有效地提升BOIN互連網(wǎng)絡(luò)的性能,為大規(guī)模并行計算機的設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。 4、在大規(guī)模并行互連網(wǎng)絡(luò)中,容錯性能的高低是對網(wǎng)絡(luò)整體性能進行評價的重要指標(biāo)。在本文中,針對大規(guī)模BOIN網(wǎng)絡(luò)中可能存在的結(jié)點失效問題,提出了一種FT-BOIN容錯光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分析了在FT-BOIN網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點間的可達關(guān)系及其性質(zhì),給出了兩個結(jié)點間存在可達路徑的充要條件,并根據(jù)該條件研究了幾種具有不同容錯性能和復(fù)雜度的容錯路由算法。實驗結(jié)果表明FT-BOIN網(wǎng)絡(luò)具有良好的容錯能力,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生結(jié)點失效時,能夠在可達結(jié)點之間實現(xiàn)無阻塞的路由。 本文面向高性能計算機內(nèi)部計算結(jié)點間的高速互連,對無緩存的BOIN光互連網(wǎng)絡(luò)進行了全面的研究,在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路協(xié)議、路由算法以及性能模型等方面都進行了深入的探索,并且根據(jù)性能模型對BOIN網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化設(shè)計,同時還對BOIN網(wǎng)絡(luò)中的容錯路由技術(shù)進行了研究。上述研究成果對高性能計算機內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)中遇到的實際問題給出了有效的解決方案,對并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TP393.03
【目錄】：

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