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当前,大数据、云计算和人工智能等领域发展迅猛,单核处理芯片难以胜任海量的数据分析和多任务实时计算。成熟的片上半导体集成技术使得多核处理器(Multiprocessor systems-on-chip,MPSoCs)成为了芯片设计的主流趋势。然而,随着传统的电互连网络(Electrical networks-on-chip,ENoCs)的功能和规模不断扩展,MPSoCs有限的功率预算难以支撑金属互连的高功率损耗。近年来,芯片上光互连网络(Optical networks-on-chip,ONoCs)作为一种新型片上多核互连技术,相较于ENoCs,其高带宽密度、低通信延时、低片上功耗等特性吸引了越来越多的企业与研究者的关注。在基于ONoCs的多核架构中,互连网络作为通信的基础设施实现各个处理核(Intellectual property,IP)之间的数据交互。在ONoCs的设计过程,拓扑结构是决定网络性能的关键因素之一,其不仅对片上网络性能(如端到端延时和吞吐量)存在极大的影响,而且还关乎着系统的功耗、网络通信的可靠性、网络的扩展规模。在众多的片上拓扑结构中,mesh拓扑是一种典型的拓扑结构,由于其规则的结构、优异的网络性能和良好的可扩展性,被认为是ONoCs设计中最主要的选择之一。然而,由于mesh拓扑的低连通性,使得片上各个IP核之间的数据交换能力受到了较大的限制。另外,在ONoCs中集成了大量的硅基光器件,由于光学器件的制造工艺和自身的物理特性,其不可避免的遭受一系列功率损失和串扰噪声。在基于mesh拓扑构建的ONoCs(mesh-based ONoCs)中,存在大量的长曼哈顿距离通信节点对,损耗和串扰在长距离通信过程中急剧积累,从而造成信号衰退、畸变、失真,极大的降低了片上通信的质量。为了解决上述问题,本文提出了一种基于虚拟簇(Virtual-Cluster)架构的双层光互连网络,并命名为VCmesh。该拓扑结构的下层铺设了一个mesh网络,并被划分为若干个虚拟簇,簇与簇之间并没有发生物理分割。然后,这些簇通过上层的全通光交换网络实现互连。因此,VCmesh中的源节点和目标节点之间存在两条候选通信路径。一条为下层mesh网络中基于XY路由算法的原始路径,以及另一条需要光信号通过上层光互连实现簇间通信的路径。与mesh相比,当通信节点之间的曼哈顿距离过长时,该架构可以通过簇间通信减少通信跳数,从而减少插入损耗和积累的串扰噪声。此外,由于连通性高于mesh,使得基于VCmesh的搭建的ONoCs的网络性能也得到了增强。本文的主要内容如下:(1)引入了用于搭建ONoCs的基本硅基光器件,并给出了由其组成的基本光交换单元(Basic optical switching elements,BOSEs)的功率损耗和串扰噪声的数学计算公式。(2)提出了VCmesh网络结构的设计方法和用于该网络的长度优化路由协议(length-optimized-routing-protocol,LORP)。另外,阐述了用于ONoCs的光路交换(optical circuit switching,OCS)机制。(3)分别建立路由器级和网络级的功率损耗、串扰噪声的数学分析模型。数值仿真显示VCmesh相较于mesh有更高的通信可靠性,尤其在最小激光发射功率方面,VCmesh优势非常明显。(4)最后,我们基于OPNET仿真平台,比较了mesh和VCmesh在几种不同网络规模下的端到端延时(end-to-end delay,ETE delay)和网络吞吐量,结果显示VCmesh就延时和吞吐量方面拥有更好的表现。