片上光互连网络拓扑结构和路由算法研究

论文摘要

当前,高性能计算机与高性能微处理器飞速发展,片上互连网络已经成为一个研究热点。片上互连网络负责实现片上处理器核之间的互连与通信,其体系结构对高性能微处理器的整体性能有重要影响。传统的电互连网络体系结构有着带宽低、延迟大、功耗高等局限性。光互连技术可以有效地避免高延迟、高功耗等问题,具有重要的研究意义。本文针对未来高性能微处理器的需求,提出了一种新型片上光互连网络拓扑结构CLNOC,并详细介绍了CLNOC网络拓扑结构基本单元的特征以及构建整个网络的扩展方式。在与FT片上光互连网络拓扑结构的对比中,CLNOC片上光互连网络拓扑具有更小的硬件开销,以及更小的光信号插入损耗。同时,我们设计了CLNOC片上光互连网络拓扑的光电混合体系结构,以完成报文交换功能。本文针对CLNOC片上光互连网络拓扑结构的特点,设计了一种能充分利用跨级链路、适用于CLNOC片上光互连网络拓扑结构的路由算法。我们通过OMNeT++平台和PhoenixSim模拟器对CLNOC片上光互连网络拓扑结构进行模拟分析,考察其在不同实验条件与流量模型下的性能参数。与现有的Mesh片上光互连网络拓扑结构进行对比,CLNOC片上光互连网络拓扑结构的性能有所提升。本文还提出了一种新型4 X 4光交换阵列,并分析了其路由过程。同时我们使用分簇式扩展方式对光交换阵列进行了结构扩展,以满足高性能微处理器的需求。之后,我们就硬件开销、光信号损耗两个方面对Crossbar光交换阵列及新型光交换阵列进行了对比分析。结果表明,新型光交换阵列硬件开销较少、光信号损耗较小,具有更加优秀的性能。最后,我们给出了CLNOC三维结构的初步设计方案。研究片上光互连体系结构,充分利用光互连网络的技术优势,设计高性能的拓扑结构、路由算法、交换方式等,能够提高网络带宽和链路的利用率,减小互连节点间的通信延迟,改善互连网络可靠性和可扩展性,大幅度提高片上互连的性能,进而极大提升高性能微处理器的整体性能。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 课题研究内容

1.3.1 课题研究的基础与目标

1.3.2 课题研究的主要内容

1.4 论文结构

第二章相关研究现状

2.1 光互连基础器件

2.1.1 激光器

2.1.2 微环谐振腔

2.1.3 波导

2.1.4 光探测器

2.1.5 光调制器

2.2 国内外光互连技术研究现状

2.2.1 国外研究现状

2.2.2 国内研究现状

2.3 光互连网络拓扑结构

2.3.1 光电混合网络结构

2.3.2 二维Torus结构

2.3.3 扁平蝴蝶形拓扑结构

2.3.4 Data Vortex

2.4 本章小结

第三章新型片上光互连网络拓扑结构CLNOC

3.1 常见结构

3.1.1 Mesh网络拓扑结构

3.1.2 胖树（Fat-Tree）网络拓扑结构

3.2 CLNOC网络拓扑结构

3.2.1 CLNOC网络拓扑结构 8 X 8 基本单元

3.2.2 CLNOC网络拓扑结构扩展

3.3 性能分析

3.3.1 硬件开销

3.3.2 插入损耗

3.4 CLNOC光电混合互连网络体系结构

3.4.1 光电混合网络

3.4.2 交换机制

3.5 小结

第四章路由算法与性能模拟分析

4.1 路由算法

4.1.1 单元内路由

4.1.2 单元间路由

4.1.3 源代码

4.2 实验环境与参数

4.3 端到端时延

4.3.1 正态型流量模型

4.3.2 热点型流量模型

4.3.3 旋风型流量模型

4.4 吞吐率

4.4.1 正态型流量模型

4.4.2 热点型流量模型

4.4.3 旋风型流量模型

4.5 端到端时延—报文大小

4.6 本章小结

第五章光交换阵列与三维芯片初步设计

5.1 光交换阵列基本概念

5.1.1 微环谐振器与光波导

5.1.2 2 x 2 光交换开关

5.1.3 Crossbar光交换阵列

5.2 新型 4×4 光交换阵列

5.3 光交换阵列扩展

5.3.1 一般扩展方式

5.3.2 Crossbar光交换阵列扩展

5.3.3 分簇式扩展

5.4 光交换阵列性能分析

5.4.1 硬件开销

5.4.2 光信号插入损耗

5.5 三维芯片初步设计

5.5.1 TSV

5.5.2 Interposer

5.5.3 初步设计

5.6 本章小结

第六章结束语

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作

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

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