面向多应用的高性能光互连访存架构研究

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1、硕士学位论文＿參圓＿面向多应用的高性能光互连访存架构研究作者姓名齐世雄指导教师姓名、职称顾华玺教授申请学位类别工学硕士学校代码10701学号1501120051分类号TN914密级公开西安电子科技大学硕士学位论文面向多应用的高性能光互连访存架构研究作者姓名：齐世雄一级学科：信息与通信工程二级学科：通信与信息系统学位类别：工学硕士指导教师姓名、职称：顾华玺教授学院：通信工程学院提交日期：2018年4月ResearchonMulti-applicationHigh-performanceOpticalInterconnectMemo

2、ryAccessArchitectureAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinCommunicationsandInformationSystemsByShixiongQiSupervisor:HuaxiGuTitle:ProfessorApril2018摘要摘要随着高性能计算应用对系统性能需求的不断提升，片上处理器中所集成的计算单元快速增多，处理器访问存储系统的通信需求进一步增大。目前支持高性能计算的访存

3、互连架构大多数都是基于电互连，而电互连在并行性、可扩展性等方面的缺陷使得访存互连架构成为阻碍系统性能提升的主要因素。片上光互连技术由于具有高并行、高能效的优势，是设计高性能访存互连架构的有效解决方式。高性能计算应用可根据应用特点可分为高串行应用和高并行应用，针对不同应用，采用适合的片上多处理系统是提高应用执行效率的必要手段。高串行应用的执行过程会产生高密度的远程存储访存与串行数据传输，同时流量特性多变对系统的普适性有更高的要求，因此采用具有高串行计算能力的同构片上多处理器更合适；高并行应用意味着计算单元与存储系统间会产生高并行数据流量，因此采用具有高并

4、行计算能力的异构片上多处理器更合适。本文的研究重点在于针对不同片上多处理系统，设计相应的高性能光互连访存架构，为高性能计算应用的执行提供有效的硬件支撑。本文的主要研究成果如下：1.传统同构片上多处理器大多采用基于处理器中心网络的互连架构，具有本地访存带宽有限、资源协同性差、远端访存时延大等缺陷。针对此问题，本文结合计算存储一体化思想提出一种面向同构片上多处理器的光互连存储中心网络架构，采用MWMR光互连架构作为基本构建单元，将系统中的存储资源以组织为统一的存储网络。通过精确配置网络中的波长资源，实现了计算单元对存储资源的灵活利用。同时引入基于令牌的全局

5、仲裁方案，避免计算单元间的访存竞争，提高系统的访存通信效率。仿真结果显示，在均匀流量和热点流量模式下，该架构的性能都远优于电互连存储中心网络；在本地流量模式下，该架构的饱和吞吐率接近100%。2.在异构片上多处理器中，GPU计算节点与CPU计算节点访存需求的不匹配导致存储系统存在高拥塞问题。高并行的GPU计算节点频繁占用大量的存储资源，对CPU计算节点的性能带来极大的负面影响。本文根据CPU计算节点对访存时延的需求和GPU计算节点对传输并行性的需求，提出一种基于混合读写模式的光互连访存架构，根据计算节点的访存需求采用相对应的光互连读写模式，减少不同类型

6、的计算节点访问存储资源时的相互干扰。另外，本文按照波长资源和波导资源两种层次，对所提架构的扩展方法进行讨论，验证了所提架构的高可扩展性。仿真结果表明，所提架构在高并行流量模式下具有更好的时延吞吐性能。关键词：片上多处理器，光互连，存储系统，高性能计算，访存互连架构IABSTRACTABSTRACTWiththeincreasingperformancerequirementsforHighPerformanceComputing(HPC)applications,thenumberofprocessingunitsintegratedinasingle

7、chipmultiprocessor(CMP)hasincreasedasrapidlyasmemoryaccess.Currently,mostofthememoryaccessarchitecturessupportingHPCarebasedonelectricalinterconnects.However,electricalinterconnecthaspoorparallelismandscalability,whichhindersimprovementofmemoryaccess.On-chipopticalinterconnectte

8、chnologyhastheadvantagesofhighparallelismandhig