基于Clos网络的高阶路由器结构

路由器为高性能互连网络的关键组成部分,利用高阶路由器可灵活构建网络直径低、路由路径丰富、容错性能高的拓扑结构。分层结构将整个路由器分成多个子交叉开关实现,子交叉开关规模较小,典型实现为子交叉开关的数量等于路由器端口数,每个子交叉开关对应一个输入/输出端口。分层结构每个子交叉开关的输入和输出都设有缓冲区,导致分层结构路由器内部有大量缓冲区,扩展性受限。网络结构将用于构建系统的网络拓扑实现在片内,如通过网格、全互连或胖树连接较小的交换机,并通过集成电路技术实现在一个路由器中,对外表现为一个高阶路由器。网络结构成本低,构建系统网络后除了要考虑系统网络拓扑的性能,还需要考虑路由器本身的路由问题。提出基于Clos网络的分层结构路由器,综合了传统分层结构高性能和网络结构低成本的优点,并提出2种Clos网络的调度算法,在均匀流量模式下接近100%带宽,RTL综合评估其实现最多减少面积25.9%。

高阶互连网络拓扑结构性能分析与研究

高性能计算机峰值性能的不断攀升给高性能互连网络带来新的挑战;同时,串行传输技术的发展使芯片引脚带宽增长,使用高阶路由器应对高性能互连网络新挑战的时机已经成熟。因此,如何利用高阶路由器所提供的丰富互连端口提升高性能互连网络的性能和减少高性能互连网络开销是设计高性能互连网络拓扑结构的关键。针对目前基于高阶路由器的典型拓扑结构进行了理论分析,并与传统k元n立方体进行了对比分析。通过在一个基于OMNeT++平台自组开发的高阶互连网络性能测评模拟器上设定不同的通信负载,测评分析了不同的拓扑结构在通信系统下实际的网络延迟和吞吐率的走势,简要分析了典型高阶互连网络拓扑结构的局限性。

采用高维路由节点构建直连式可扩展路由器

可扩展路由器是当前核心路由器研究的热点,直连式可扩展路由器是可扩展路由器研究的一种重要分支.但是,目前直连式可扩展路由器的研究局限于采用低维路由节点的方式进行扩展,这种方式构建的路由器其可扩展互连结构的网络直径增长较快而等分带宽增长较慢.针对该问题,提出采用高维路由节点构建直连式可扩展路由器的思想,认为构建直连式可扩展路由时,路由节点的维要根据路由节点的交换容量和分组延时决定.在分组延时小于某个界的情况下,路由节点的交换容量越大它的维也应该越高这样才能使路由器的可扩展互连结构有最大的等分带宽和最小的网络直径,使路由器在满足分组延时要求的情况下具有最大的交换容量.从理论上分析了该思想的可行性,仿真结果进一步验证了理论分析的正确性.

非对称交叉开关优化与设计

高阶路由器设计面临的主要挑战之一是队头阻塞。提出了一种有效缓解队头阻塞的高阶路由器组织结构OE-ASC。OE-ASC使用两种技术来解决队头阻塞,一是采用非对称交叉开关的交换结构ASC,N×N交叉开关可以使用N/m个小型的m×N交叉开关来实现,降低输入端口间发生冲突的概率;二是奇偶队列机制,高效地利用存储资源,降低输入端口内冲突的概率,从而获得很高的吞吐率。对异构交叉开关的吞吐率模型进行了理论分析和模拟验证,给出了OE-ASC交叉开关的逻辑结构和瓦片化微结构。模拟结果表明,OE-ASC基本消除了队头阻塞,在有限输入队列长度时吞吐率可以达到98.6%。与采用队列长度为16的ASC相比,吞吐率提高了7.9%,使用一半的缓冲区即可达到与ASC相近的性能。

SuperStar:一种可扩展高阶互连拓扑结构

随着高速信号传输技术和VLSI技术的发展,使用高阶路由器来应对因高性能计算机峰值性能不断攀升给高性能互连网络带来的新挑战已是发展需求;同时,如何利用高阶特性减少互连网络延迟和成本开销,以支持更大的网络规模是设计高性能互连网络拓扑结构的关键和突破点。针对目前基于高阶路由器的典型拓扑结构进行了分析,并在此基础上提出一个新的高阶拓扑架构SuperStar,其不仅具有较短的网络直径而且具有良好的可扩展性;通过在一个基于OMNeT++平台自主开发的高阶互连网络性能测评模拟器上设定不同的通信负载,测评各种拓扑结构在通信系统下实际的网络延迟和吞吐率的走势,以分析SuperStar的通信开销。

一种高阶混合互连网络拓扑结构

随着对高性能计算机性能需求的不断提升,高性能计算机的系统规模在逐渐扩大,系统内的互连网络已经成为影响性能的关键因素。如何基于高阶路由器构建更大规模、更低网络延迟以及成本、更高网络吞吐率的互连网络,是目前的主要研究方向。针对目前广泛应用的高阶网络进行特性分析,并对其中的环网以及树网进行综合,提出了一种新型层次化混合互连网络拓扑结构。该结构具有良好的可扩展性以及通信能力,并在网络模拟器NetSim上对其性能进行了仿真和分析。

一种多级无缓存高阶路由器的设计与实现

随着高性能网络规模的增加,高阶路由器结构设计成为高性能计算研究的重点和热点。使用高阶路由器,网络能实现更低的报文传输延迟、网络功耗和网络构建成本,同时高阶路由器的应用还可以提高网络可靠性。高性能路由器的阶数不断提高,仅靠扩展单级crossbar交换结构的阶数使路由器内部的连线资源急速增长,交叉开关的实现代价将不可接受,这就需要为高阶路由器设计新型的交换结构。近十年来,出现了以YARC为代表的经典结构化设计以及"network within a network"等新型设计方法,未来的研究重点是解决高阶路由器结构设计中遇到的缓存、仲裁和扩展性等各种问题。鉴于此,实现了一种多级无缓存高阶路由器,这种高阶路由器内部是一个多级Clos网络,每一级有相应的仲裁模块对请求进行调度,数据包缓存在输入/输出端口实现,除去这些缓冲区单元,该网络是无缓存的。最后通过BookSim模拟器进行了大量的性能测试,所设计的路由器能够正常工作,性能良好。

基于非对称交叉开关的高阶路由器设计

对非对称交叉开关的吞吐率进行了理论分析和模拟测试,得出非对称交叉开关中排头兵效应的影响非常弱,几乎可以忽略.在此基础上,提出了一种基于非对称交叉开关的高阶路由器交换结构,即层次式非对称交叉开关结构设计方法,同时,给出了该交换结构的瓦片化微结构.结果表明,该结构可以获得很高的吞吐率.

一种基于Chiplet集成技术的超高阶路由器设计

高带宽、低延迟的高阶路由器对于构建大规模可扩展的互连网络有着重要的作用,但是受限于单个路由芯片设计复杂度的不断增加以及摩尔定律、登纳德缩放定律的放缓与停滞,在单个路由芯片上扩展更多的端口数将变得越来越难。Chiplet将多个裸片以特定的方式集成在一个高级封装内,形成具有特定功能的大芯片,以此解决芯片设计中涉及的规模、研制成本和周期等方面的问题。根据Chiplet集成技术的思想,利用已有的路由芯片,提出了一种基于Chiplet的128端口高阶路由器,这种高阶路由器内部是一个由多个Switch Die以二层胖树拓扑构成的网络。通过实际的RTL级代码仿真测试,对比于单芯片的高阶路由器设计方式,所设计的路由器在扩展了更多端口数的同时,还能够达到较好的性能。

高阶路由器结构研究综述

随着高性能网络规模的增加,高阶路由器结构设计成为高性能计算中研究的重点和热点。使用高阶路由器,网络能实现更低的报文传输延迟、网络构建成本和网络功耗,同时高阶路由器的应用还可以提高网络可靠性。过去十年是高阶路由器发展最快的时期,对近年高阶路由器的研究进行了综述,并对未来发展趋势进行了预测,主要介绍了以YARC为代表的经典结构化设计以及"network within a network"等近年来涌现的新型设计方法。未来的研究重点是解决高阶路由器结构设计中遇到的缓存和仲裁等各种问题,并利用光互连等技术设计性能更好的结构。

神威E级原型机互连网络和消息机制

本文描述了神威E级原型机的互连网络和消息机制.神威E级原型机是继神威蓝光、神威·太湖之光之后神威家族的第三代计算机.该计算机作为一台E级计算机的原型机,峰值性能3.13 PFlops,其最大的特色之一就是采用28 Gbps传输技术,设计开发了新一代的神威高阶路由器和神威高性能网络接口两款芯片,在传统胖树的基础上,设计了双轨泛树拓扑结构,定义实现了新颖的神威消息原语和消息库,实现了一种基于包级粒度动态切换的双轨乱序消息机制,通信性能比神威·太湖之光互连网络提升了4倍,为神威E级计算机互连网络的研制奠定了基础.