【摘要】：隨著高性能計算應(yīng)用對系統(tǒng)性能需求的不斷提升,片上處理器中所集成的計算單元快速增多,處理器訪問存儲系統(tǒng)的通信需求進一步增大。目前支持高性能計算的訪存互連架構(gòu)大多數(shù)都是基于電互連,而電互連在并行性、可擴展性等方面的缺陷使得訪存互連架構(gòu)成為阻礙系統(tǒng)性能提升的主要因素。片上光互連技術(shù)由于具有高并行、高能效的優(yōu)勢,是設(shè)計高性能訪存互連架構(gòu)的有效解決方式。高性能計算應(yīng)用可根據(jù)應(yīng)用特點可分為高串行應(yīng)用和高并行應(yīng)用,針對不同應(yīng)用,采用適合的片上多處理系統(tǒng)是提高應(yīng)用執(zhí)行效率的必要手段。高串行應(yīng)用的執(zhí)行過程會產(chǎn)生高密度的遠(yuǎn)程存儲訪存與串行數(shù)據(jù)傳輸,同時流量特性多變對系統(tǒng)的普適性有更高的要求,因此采用具有高串行計算能力的同構(gòu)片上多處理器更合適;高并行應(yīng)用意味著計算單元與存儲系統(tǒng)間會產(chǎn)生高并行數(shù)據(jù)流量,因此采用具有高并行計算能力的異構(gòu)片上多處理器更合適。本文的研究重點在于針對不同片上多處理系統(tǒng),設(shè)計相應(yīng)的高性能光互連訪存架構(gòu),為高性能計算應(yīng)用的執(zhí)行提供有效的硬件支撐。本文的主要研究成果如下:1.傳統(tǒng)同構(gòu)片上多處理器大多采用基于處理器中心網(wǎng)絡(luò)的互連架構(gòu),具有本地訪存帶寬有限、資源協(xié)同性差、遠(yuǎn)端訪存時延大等缺陷。針對此問題,本文結(jié)合計算存儲一體化思想提出一種面向同構(gòu)片上多處理器的光互連存儲中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),采用MWMR光互連架構(gòu)作為基本構(gòu)建單元,將系統(tǒng)中的存儲資源以組織為統(tǒng)一的存儲網(wǎng)絡(luò)。通過精確配置網(wǎng)絡(luò)中的波長資源,實現(xiàn)了計算單元對存儲資源的靈活利用。同時引入基于令牌的全局仲裁方案,避免計算單元間的訪存競爭,提高系統(tǒng)的訪存通信效率。仿真結(jié)果顯示,在均勻流量和熱點流量模式下,該架構(gòu)的性能都遠(yuǎn)優(yōu)于電互連存儲中心網(wǎng)絡(luò);在本地流量模式下,該架構(gòu)的飽和吞吐率接近100%。2.在異構(gòu)片上多處理器中,GPU計算節(jié)點與CPU計算節(jié)點訪存需求的不匹配導(dǎo)致存儲系統(tǒng)存在高擁塞問題。高并行的GPU計算節(jié)點頻繁占用大量的存儲資源,對CPU計算節(jié)點的性能帶來極大的負(fù)面影響。本文根據(jù)CPU計算節(jié)點對訪存時延的需求和GPU計算節(jié)點對傳輸并行性的需求,提出一種基于混合讀寫模式的光互連訪存架構(gòu),根據(jù)計算節(jié)點的訪存需求采用相對應(yīng)的光互連讀寫模式,減少不同類型的計算節(jié)點訪問存儲資源時的相互干擾。另外,本文按照波長資源和波導(dǎo)資源兩種層次,對所提架構(gòu)的擴展方法進行討論,驗證了所提架構(gòu)的高可擴展性。仿真結(jié)果表明,所提架構(gòu)在高并行流量模式下具有更好的時延吞吐性能。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP38
【圖文】：

的訪存瓶頸成為制約高性能計算發(fā)展的主要因素，研究如何突破訪存瓶頸以滿足未來高性能計算的需求成為目前亟待解決的問題。圖1.1 處理器的存儲器請求與 DRAM 訪問時延之間性能差距的時間變化曲線[1]1.2 光互連訪存架構(gòu)的研究背景高性能計算系統(tǒng)主要由計算單元、存儲系統(tǒng)和互連架構(gòu)組成。在為支持未來高性能計算系統(tǒng)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存取的同時保證較低系統(tǒng)能耗，在處理器核與存儲系統(tǒng)之間的互連架構(gòu)上采用新的互連技術(shù)和設(shè)計方法并進行創(chuàng)新性突破是非常必要的。在高性能計算中，片上多處理器規(guī)模的擴大與存儲密集型應(yīng)用的逐漸普及，使得處理器核對

2.1 計算機存儲系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)2.1.1 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖2.1 存儲系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的發(fā)展與演進在過去的幾十年里取得了顯著的成果，然而其硬件組成始終遵循馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，可以分為五大部分：控制器，運算器，存儲器，輸入和輸出[13]。存儲器作為計算機系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，為控制器、運算器、輸入和輸出設(shè)備產(chǎn)生的程序和數(shù)據(jù)提供必要的存放場所，是計算機系統(tǒng)性能和成本的決定性因素之一。從計算機體系架構(gòu)設(shè)計師的角度看，存儲系統(tǒng)為計算機系統(tǒng)提供高并行、大容量和低能耗數(shù)據(jù)存取的同時，應(yīng)盡可能地降低其應(yīng)用成本。計算機系統(tǒng)的訪存局部特性為實現(xiàn)存儲系統(tǒng)性能與成本之間的平衡提供了可能，存儲系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，并且在近幾十年中得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)可與廣泛應(yīng)用。如圖 2.1 所示

混合存儲立方示意圖

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本文編號：2756513