多处理器系统光互连网络技术研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 互连网络技术发展现状
• 1.1.2 多处理器系统体系结构发展现状
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 文章的组织结构
• 第二章 光通信互连网络技术
• 2.1 光通信技术在高性能计算中的应用
• 2.1.1 光通信技术在板间互连的应用
• 2.1.2 光通信技术在片间互连的应用
• 2.2 总线型光网络
• 2.2.1 LARPBS 光网络结构
• 2.2.2 RAPID 光网络结构
• 2.3 光通信互连技术小结
• 第三章 CSAPID 网络结构
• 3.1 CSAPID 网络波长分配策略
• 3.2 CSAPID 网络路由策略
• 3.2.1 组内路由策略
• 3.2.2 组间和群间路由策略
• 3.3 CSAPID 网络结构避免冲突的机制
• 3.3.1 组内通信冲突避免机制
• 3.3.2 组间通信冲突避免机制
• 3.4 CSAPID 网络的扩展机制
• 3.5 CSAPID 的网络构成
• 3.5.1 光电转换功能部件
• 3.5.2 光波分复用功能部件
• 3.5.3 光链路功能部件
• 3.6 本章小结
• 第四章 CSAPID 系统性能研究
• 4.1 CSAPID 网络性能分析
• 4.1.1 CSAPID 网络中的性能参数
• 4.1.2 CSAPID 网络对多处理器互连网络的改善作用
• 4.1.3 小结
• 4.2 CSAPID 性能实验验证
• 4.2.1 模拟工具介绍
• 4.2.2 模拟实验中参数设定
• 4.2.3 模拟实验结果
• 4.2.4 实验结果说明
• 4.3 本章小结
• 第五章 光信号在网络中的能量损耗分析
• 5.1 OPCB 技术简介
• 5.2 OPCB 技术中的光传输转向技术
• 5.2.1 光纤直接转向法
• 5.2.2 反射镜法
• 5.2.3 理论分析结论
• 5.3 实验验证
• 5.3.1 直接转向法的实验验证
• 5.3.2 反射镜转向法的实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作