大规模众核处理器光互连网络关键技术研究

High performance manycore processors are the enabling technology for future Exascale computing era.Recently, the challenge of manycore processors has gradually shifted from logic design to interconnects; on-chip inter-core global communication and processor-to-memory interconnects have become the bottleneck for system improvement. The advances of 3D integration technology and silicon photonic devices provide new opportunities for manycore interconnects design. .This project proposes a novel photonic interconnection network architecture for large-scale manycore processors; we also build analytical performance models for the new interconnect schemes using network calculus. Our study crosses several fields,including computer architectuer, microelectronics and silicon photonics, and is therefore full of new opportunities. Our study not only contribute new solutions towards the manycore interconnect problem, but also have their academic and practical value on promoting the advancement of high performance processors.

高性能众核处理器是未来高性能计算的支撑技术。目前，众核系统设计挑战中，互连通信逐渐成为制约系统性能提升的瓶颈。新兴的3D集成技术和硅基光子器件在芯片功能、集成密度和功耗方面有独特优势，为解决众核系统互连瓶颈带来新的机会。本课题以研究众核系统互连瓶颈为出发点，探索众核微处理器光互连网络的创新型系统结构，并利用网络演算理论对众核互连网络进行建模与分析。本课题的研究内容跨越计算机系统结构、微电子学与光电子学，具有较强的创新性和很高的研究价值；同时，理论与实际结合紧密，将为众核处理器互连瓶颈问题提供新的解决方案，对推动高性能处理器技术发展做出积极的贡献。

高带宽、低延迟、低功耗和强扩展性的互连网络对于释放高性能众核处理器核强大的并行计算能力、提高能效比有十分重要的意义。本课题利用新兴的3D集成技术和硅基光子器件，提出一种面向大规模众核处理器的光互连网络结构，用于解决众核系统互连瓶颈。主要研究内容包括 1）片上光路由器结构，设计无缓冲光路由机制；2）众核微处理器访存光互连网络系统结构，研究光电混合双层片上互连网络工作原理；3）芯片级光交换网络的电控制网络，研究电控网络与光传输网络的交互原理；4）光互连网络的建模，对光互连系统进行数学建模。. 本课题在光电混合互连网络系统结构、众核处理器存储层次模拟、互连系统性能分析等方面取得重要进展。 研究成果“大规模众核处理器光互连模拟器”可用于片外存储器仿真评估，为选择DDR4类存储器还是新型HMC类存储器产品提供决策依据，已直接用于一款众核处理器片外存储方案设计选型仿真，加快设计进程。研究成果“基于网络演算的互连分析方法”可用于对非线性互连系统进行系统建模，选取最优互连结构参数，已经用于一款众核处理器的评估。“基于网络演算的片上光电互连网络建模分析”已经出版在学术专著《网络演算》中。课题负责人在2016年中国高性能融合互连网络技术论坛上就“飞腾系列微处理器互连结构”做了专题报告，与学术界和工业界同仁进行交流。. 课题成果中具有重要科学研究价值的成果通过撰写学术论文的方式进行了总结和发表。原创技术通过撰写发明专利的形式进行知识产权保护。课题主要研究结论已直接应用于两款国产高性能众核处理器的研制，为多款处理器的体系结构设计提供了重要的参考数据，部分结构直接在处理器原型验证芯片中得到了实现和验证，对提高国产处理器体系结构设计水平具有重要意义。