【摘要】：隨著高性能計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等應用領域的迅猛發(fā)展,人們對芯片的計算能力要求越來越高,單核處理器在頻率和溫度上的瓶頸已經(jīng)日益凸顯,因此可在較低主頻下達到更高性能的多核處理器成為必然發(fā)展趨勢。但隨著單個芯片上集成的處理器核數(shù)目越來越多,片上網(wǎng)絡(Network on Chip,NoC)由于電互連高時延、高能耗等缺點限制了未來多核處理器性能的進一步提升。與CMOS工藝兼容的硅光技術(shù)不斷成熟和光互連所具有的低時延、高帶寬以及低能耗的特性使得光片上網(wǎng)絡(Optical Network on Chip,ONoC)成為新的研究熱點。然而傳統(tǒng)的二維光片上網(wǎng)絡的波導交叉的數(shù)量、通信距離和芯片面積限制了光片上網(wǎng)絡的可擴展性。三維集成技術(shù)通過將單層網(wǎng)絡轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬泳W(wǎng)絡,有希望解決二維光片上網(wǎng)絡的問題。因此,三維光電混合網(wǎng)絡受到眾多研究者的青睞。本文總結(jié)了三維光電混合架構(gòu)的研究現(xiàn)狀,并對現(xiàn)有的一些問題給出了解決方案。首先,我們對光片上網(wǎng)絡的交換機制進行了研究。在基于光電路交換的片上網(wǎng)絡中,建鏈分組在預約光路徑的過程中一旦發(fā)現(xiàn)輸出端口被占用,只能阻塞在當前節(jié)點等待端口釋放。而當前被阻塞的分組又會進一步阻塞其他分組,此情況極大的降低了鏈路的利用率并造成單一節(jié)點的阻塞迅速擴散至網(wǎng)絡其他節(jié)點,從而降低了網(wǎng)絡的時延和吞吐等性能。針對此問題,我們提出了稱作HTRM的通信方法,該方法結(jié)合預測建鏈分組在路由器需要等待的時間和該分組阻礙其他分組數(shù)目兩個指標設定規(guī)則,并根據(jù)這些規(guī)則對建鏈分組進行重傳,從而及時釋放預約的資源,提高鏈路利用率。仿真表明,對比傳統(tǒng)的通信方法,在合成流量模型下,HTRM的網(wǎng)絡時延至少降低了40%,吞吐提高了30%;在科學應用流量下,HTRM的加速比平均提升了5%。其次,我們對具有大規(guī)模節(jié)點的三維片上網(wǎng)絡進行了研究。性能良好的片上多核系統(tǒng)需要良好的架構(gòu)支持。雖然HTRM通信方法可以在一定程度上提高網(wǎng)絡的性能,但是當網(wǎng)絡規(guī)模擴大后,還是無法解決通信過程的距離過長、時延過高、損耗過大等問題。為此,我們設計了低時延、低損耗三維光電混合片上網(wǎng)絡架構(gòu)——Venus。結(jié)合波長路由技術(shù)和三維集成技術(shù),確保了每兩個節(jié)點的通信距離只有一跳,且任何不同子網(wǎng)中兩個節(jié)點之間實現(xiàn)了無阻塞通信,進而降低了片上網(wǎng)絡的平均端到端通信時延。我們通過使用多個環(huán)形結(jié)構(gòu),并設計環(huán)與環(huán)之間的光網(wǎng)絡接口,減少了波導交叉數(shù)量和關(guān)鍵路徑上經(jīng)過微環(huán)的數(shù)量,降低了光信號損耗和串擾。仿真結(jié)果表明在千核規(guī)模下,所設計的三維光電混合片上網(wǎng)絡架構(gòu)與基于三維mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡相比,平均時延降低了75.3%,吞吐提高了77.9倍,最壞插入損耗減少了64.2%,與最先進的網(wǎng)絡架構(gòu)相比,平均時延和吞吐幾乎持平,最壞插入損耗減少40.1%。最后,我們對特殊應用的三維片上網(wǎng)絡進行了研究。Venus在千核節(jié)點下都具有出色的性能。但是Venus也存在通用型網(wǎng)絡架構(gòu)的一些普遍性問題:第一,在多播流量中Venus的性能較差;第二,Venus的網(wǎng)絡帶寬分配較為均勻,在一些流量不對稱的應用中,網(wǎng)絡性能會變得較差。而近年來的研究熱點——神經(jīng)網(wǎng)絡應用的實現(xiàn)中就會產(chǎn)生上述兩點流量特性。因此,我們提出了面向大規(guī)模卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的三維異構(gòu)混合片上網(wǎng)絡——CHNoC。采用光電混合互連,將帶寬需求不同的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡層映射到不同的硬件層上,利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡中流量不對稱性有針對性的設計分級互連方式,以此提高帶寬的利用率。
【圖文】：

2.1 光電路交換機制交換機制是網(wǎng)絡通信的重要組成部分，交換機制的選擇嚴重的影響到時延，吞吐等網(wǎng)絡性能，因此交換機制一直是研究熱點。光電路交換作為典型的交換機制在ONoC 中有著廣泛的應用。光電路交換中采用“電控制光傳輸”的方式來完成通信請求。通過使用電控制網(wǎng)絡提前預約物理鏈路的方式以保證數(shù)據(jù)分組在光網(wǎng)絡中的正確傳輸。傳統(tǒng)的光電路交換（Traditional Optical Circuit Switching，TOCS）機制的過程分為四個階段：首先，，源節(jié)點通過電控制網(wǎng)絡向目的節(jié)點地發(fā)送一個建鏈分組，該建鏈分組會預約沿途路徑的鏈路資源；其次，當建鏈分組到達目的節(jié)點地時，目的節(jié)點會創(chuàng)建一個確認（Acknowledgement，ACK）分組，并將其通過建鏈分組所預約的路徑反向傳輸給源節(jié)點，通知源路徑被完全保留；然后，在源節(jié)點接收到 ACK 分組后，有效負載數(shù)據(jù)分組被發(fā)送到光網(wǎng)絡，有效負載數(shù)據(jù)包沿著建鏈分組預約的路徑傳輸；最后，在有效負載數(shù)據(jù)分組被傳輸后，拆鏈分組將通過電控制網(wǎng)絡從源發(fā)送到目的地，以釋放預留的鏈路資源。

西安電子科技大學碩士學位論文個被阻塞的分組，圖 b）表示被阻塞的分組進一步阻塞其他分組，圖 c）表示一組的阻塞慢慢造成全網(wǎng)阻塞。以上情況造成單一節(jié)點的阻塞擴散至網(wǎng)絡其他節(jié)點大的降低了鏈路的利用率，從而降低了網(wǎng)絡的時延和吞吐等性能。為了解決上述問題，本章提出了網(wǎng)絡狀態(tài)感知的通信方法（HTRM），該方法預測建鏈分組在路由器需要等待的時間和該分組阻礙其他分組數(shù)目兩個指標設則，并根據(jù)這些規(guī)則對建鏈分組進行重傳，從而及時釋放預約的資源，提高鏈用率。.2 網(wǎng)絡狀態(tài)感知的通信方法作為例子，我們在 2D Mesh 拓撲中實現(xiàn)我們設計的通信方法。如圖 2. 2 所示于 Mesh 的 ONoC 由重疊的兩層網(wǎng)絡組成，即電控制網(wǎng)絡和光傳輸網(wǎng)絡。電控制負責路徑預約和路由器配置，而光傳輸網(wǎng)絡負責數(shù)據(jù)的傳輸。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN47

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