光片上网络关键问题的研究

HPC is entering a new era of exascale computing instead of petascale computing, in which hundreds or even a thousand of IP cores will be integrated on a single chip. However, the current proposals of NoC based on metal interconnect face so many challenges, such as limited bandwidth, long latency, and excessive power consumption, that they can hardly provide an ideal platform for the thousand-core architecture. Optical network-on-chip, a promising alternative to eliminate these bottlenecks, is attracting more attentions in the future high performance chip design. Currently, research mainly focuses on how to improve the throughput while lower the latency and energy consumption in small- and medium-size 2D architecture. As the network extends to large-scale, some problems, i.e., high congestion probability, low reliability and scalability, will be more serious. In this project, we tend to employ the 3D topology to serve as the fundamental structure, and design a new multiplexing method combining WDM, SDM, and TDM, thus providing a higher bandwidth as well as mitigating the congestion and overhead. A novel router with multicast function will also be designed to support multiple communications. In addition, a multi-target routing algorithm aiming at the low congestion, fault-tolerance, low crosstalk, and low insertion loss will be proposed to improve the reliability and communication efficiency. Finally a design of thousand-core single-chip architecture will be proposed.

高性能计算正从千万亿次运算迈入百亿亿次运算的时代，单一芯片上将集成成百上千的IP核，而对于这种大规模核间互连的需求，当前电片上网络存在带宽、时延、功耗等瓶颈，因此在未来高性能芯片设计中，人们更趋向于用光片上网络来解决这些技术瓶颈。当前光片上网络的研究主要集中在中小规模的网络的二维结构设计上，以提高吞吐，降低时延和功耗为设计目标。当网络规模扩大时，将加剧现有设计方案阻塞概率大、可靠性低、可扩展性差等问题。本项目拟采用三维拓扑结构设计，通过时分复用、波分复用、空分复用相结合的方法，实现混合高效复用技术，在降低阻塞、提供高带宽的同时，充分利用片上资源，有效降低成本，设计实现具有多播功能的光片上网络结构，从而支持多种通信模式，设计多目标路由算法，从阻塞、容错、损耗和串扰出发，确保路由的高效性和容错性，提高信号的信噪比，从结构设计出发，改善光片上网络的可靠性。最终实现面向千核的光片上网络架构。

光片上网络（ONoC）是解决电片上网络所面临瓶颈问题的一种有前景的技术，设计面向大规模众核芯片的光片上网络、解决可靠性及结构布局等问题，对满足高性能计算的需求具有重要意义。随着光片上网络规模的扩展，3D结构布局、多播路由、可靠性问题等关键技术的研究将直接影响ONoC的性能。本项目重点研究了三维拓扑、多播路由器结构、多目标路由算法、高效复用技术和面向千核的光片上网络架构等关键内容。.针对二维ONoC存在传输距离较长、可扩展性受限等问题，我们提出了一种三维的多层光片上网络——3D MONoC，并设计了一个支持三维互连的无阻塞光路由器Votex，可在提高ONoC整体性能的同时实现更小面积、更低成本；仿真结果表明，相比于同等条件的二维ONoC，基于Votex的3D MONoC具有更好的端到端时延和吞吐性能。由于MONoC存在较多的波导交叉，导致了功耗与串扰的增加，针对该问题，我们提出了螺旋Torus拓扑结构——STorus，通过将波导分层布局，有效地减少了STorus的交叉数量，降低了光损耗。通过子网连接的STorus在网络直径上仅为基于Torus网络的一半，并且几乎只有基于Mesh网络的四分之一。为满足光片上网络的多播需求，我们设计了片上多播光路由器——Panzer，并提出了一种通用路由器设计方法，可以直接给出支持无阻塞多播路由器的设计参数。针对片上网络多播路由算法存在路由路径长、时延大以及不支持自适应路由等问题，我们提出了基于网络划分的自适应多播路由算法，在实现自适应路由的同时降低端到端时延。我们还提出了基于局部拥塞感知的低损耗片上网络路由算法、基于奇偶转向模型的流量均衡和热故障容错路由算法等，实现光片上网络中流量与热量的均衡，提高网络可靠性，降低传输时延。通过充分利用光片上网络中的波长复用技术，我们提出了基于分组交换的光片上网络架构——RPNoC和一种无阻塞的波长路由ONoC，以便解决传统网络中传输带宽受限、时延过高以及网络竞争严重等问题。为平衡网络性能及能耗并且实现千核规模的扩展，我们提出了一种基于簇的新型结构——Csquare。此外，我们对光片上网络中的通信机制、架构设计方法以及网络功率分配问题进行了研究；所提出的基于热感知的光片上网络功率分配方案，可以有效改善片上热效应引起的可靠性问题。上述成果为实现未来大容量、高能效的众核处理器提供了有力的理论基础与技术支撑。