高性能计算机光互连网络体系结构研究

论文摘要

近年来,高性能计算机正在朝着多处理器化、大规模并行化的方向发展,研究人员普遍依靠增加处理器的数量来提高计算机的性能,这必然会给实现处理器访存及处理器间相互通信功能的互连网络带来极大的挑战。传统的电互连网络在可用带宽、互连密度、时钟扭曲、能耗等方面限制了其性能的提高,而光互连技术随着VCSEL、WDM、SOA等光器件的成熟而蓬勃发展。光互连网络具有带宽高、衰减小、抗干扰、可并行的优点,满足未来高性能计算机发展的需要。目前,基于光纤和高速光器件的光电混合互连网络已经成功应用于高性能计算机系统,全光互连网络是未来互连网络发展的必然趋势。本课题首先对光互连网络的特点与优势进行简要的介绍,并详述了当前光互连网络技术的研究现状和发展方向,然后重点研究了Data Vortex光分组交换网络的关键技术,主要从拓扑结构,同步机制,分组的竞争与冲突解决方案四个方面进行深入了研究。在了解Data Vortex网络拓扑结构和报文传输机制的基础上,通过建立数学解析模型和OMNet++模拟的方法,深入研究和对比了拓扑参数对Data Vortex系统性能的影响,从而优化了Data Vortex的拓扑结构。结果表明,在网络交换规模固定的前提下,角度参数越小的Data Vortex网络,延迟和吞吐率性能越高。本课题对Data Vortex网络拓扑进行了深入的分析和优化之后,结合最新的CMOS光开关技术,提出了一种基于环形谐振器光开关的新的光分组交换互连网络模型——DDP,并通过模拟对比了优化后的Data Vortex网络。模拟结果显示DDP具有明显的性能优势,特别是吞吐率性能方面获得大幅度的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 电互连网络的制约因素
• 1.1.2 光互连网络的优势
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.2 课题研究的研究方法与主要贡献
• 1.2.1 课题的研究方法
• 1.2.2 课题研究的主要贡献
• 1.3 论文结构
• 第二章 光互连网络关键技术研究
• 2.1 光分组交换（OPS）技术
• 2.1.1 光分组交换原理及特点
• 2.1.2 光分组交换网络的关键技术
• 2.1.3 光分组交换技术研究现状
• 2.2 光分组交换网络的冲突解决技术
• 2.2.1 光缓存
• 2.2.2 偏射路由
• 2.3 Data Vortex 网络
• 2.3.1 Data Vortex 物理拓扑结构
• 2.3.2 Data Vortex 节点寻址原理
• 2.3.3 Data Vortex 电的控制信息执行原理
• 2.3.4 Data Vortex 交换节点工作原理
• 2.3.5 Data Vortex 节点执行逻辑
• 2.4 本章小结
• 第三章 Data Vortex 网络拓扑性能分析与模拟
• 3.1 Data Vortex 拓扑性能解析
• 3.1.1 环境参数的描述
• 3.1.2 全角度注入性能解析
• 3.1.3 延迟解析
• 3.2 拓扑参数对 Data Vortex 结构性能的影响
• 3.2.1 角度参数A 对Data Vortex 结构性能的影响
• 3.2.2 高度参数H 对Data Vortex 结构性能的影响
• 3.2.3 角度参数与高度参数的比较
• 3.3 非对称I/O 模型下Data Vortex 拓扑参数的优化
• 3.3.1 均匀流量模型（Uniform Traffic）
• 3.3.2 非均匀流量模型（Nonuniform Traffic）
• 3.3.3 突发流量模型（Bursty Traffic）
• 3.4 相同硬件成本下Data Vortex 拓扑参数的优化
• 3.4.1 均匀流量模型（Uniform Traffic）
• 3.4.2 非均匀流量模型（Nonuniform Traffic）
• 3.4.3 突发流量模型（Bursty Traffic）
• 3.5 本章小结
• 第四章 Data Vortex 网络拓扑改进
• 4.1 Data Vortex 网络交换节点结构改进
• 4.1.1 阻塞交换节点结构（Blocking Switching Node）
• 4.1.2 非阻塞交换节点结构（Nonblocking Switching Node）
• 4.1.3 基于环形谐振器的交换节点结构
• 4.2 双偏射路径互连网络（DDP）
• 4.3 双偏射路径互连网络的性能评价
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于光学背板的互连网络体系结构研究
• 5.1 光学背板关键技术研究
• 5.2 系统总体设计
• 5.3 组播通信实现
• 5.3.1 帧格式说明
• 5.3.2 重传请求协议（ARQ）
• 5.3.3 帧的生成过程
• 5.4 FPGA 逻辑控制模块
• 5.4.1 FPGA 逻辑控制模块的功能
• 5.4.2 光链路状态机
• 第六章 结束语
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间取得的学术成果