[發明專利]一種通過交換芯片構建的交換系統及其路由算法

有效

• 申請號: 201711483999.X
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN107959643B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 蘇勇
• 申請（專利權）人: 曙光信息產業（北京）有限公司
• 主分類號: H04L12/933
• 分類號: H04L12/933;H04L12/721;H04L12/733
• 代理公司: 北京德恒律治知識產權代理有限公司 11409
• 代理人: 章社杲;盧軍峰

本發明公開了一種通過交換芯片構建的交換系統及其路由算法，該交換系統包括：3個交換單元，并且3個交換單元作Z維連接，以及每個交換單元包括：3個交換主板，并且3個交換主板作Y維連接；以及每個交換主板上均設置有3個交換芯片，并且在每個交換主板上，3個交換芯片作X維連接。本發明通過3個交換單元，并且3個交換單元作Z維連接，以及每個交換單元包括3個交換主板，并且3個交換主板作Y維連接，以及每個交換主板上均設置有3個交換芯片，并且在每個交換主板上，3個交換芯片作X維連接，從而基于商用交換芯片(或交換芯片)構建3D Torus架構的大端口交換機(或交換系統)，以及還提出了路由算法，從而具有低延遲，高性能、低成本、低功耗的特點。

技術領域

本發明涉及通信領域，具體來說，涉及一種通過交換芯片構建的交換系統及其路由算法。

背景技術

隨著技術進步和工藝發展，大數據、人工智能等高技術應用的迅猛發展，對高性能計算機的計算能力需求越來越強烈。目前，增強計算能力的方式如下：一種方式則是增強節點的計算能力，采用多核甚至眾核處理器來提升單個節點的計算能力；一種方法是擴展系統規模，將大量的處理器互連起來，通過大量并行計算來提升系統的計算能力。

同時，如何保證大量處理器間的高效通信對互連網絡提出了嚴峻挑戰，該高效通信的要求為：超高帶寬、超低延遲、超大規模。隨著規模的不斷增長，系統成本和能耗問題越發突出高性能互連網絡該如何發展來應對這些挑戰呢？互連網絡的拓撲結構和路由算法從宏觀上決定了網絡的可擴展性和通信性能。網絡可擴展性不僅受拓撲性質的限制，而且受到物理技術和管理需求，如封裝工藝、系統冷卻、電源功耗和傳輸管理等限制。

此外，對于系統設計來說：1、數據搬移的能量消耗是與數據傳輸的位率(bitrate)成正比的，鏈路帶寬越高，能量消耗也越嚴重；2、信號傳輸的能量消耗與傳輸距離成正比，因此隨著能耗問題越來越難以解決帶寬傾向于變得愈加局部化。大端口交換機可有效應對這種局部通信特征，大量的通信集中在交換機內部進行，可有效降低對全局網絡的通信壓力，有利于提升系統性能，但是，大端口交換機的設計難度受限于芯片的晶體管數量，管腳數量，布局布線等眾多因素，難以通過單一芯片直接構建，因此大端口交換機通常是通過內部互連多個交換芯片，對外形成一個“虛擬的”大端口交換機。例如，國際上老牌高性能互連網絡設備廠商Mellanox以及現在大舉進軍高性能互連網絡市場的處理器巨頭Intel的大端口交換機都是內部集成多個交換機芯片構建大端口交換機，拓撲結構普遍采用胖樹結構。二層胖樹拓撲網絡直徑只有2跳，具有低延遲，高性能的優勢，而且可提供無阻塞通信，但其代價是需要大量的冗余部件來保證高性能，因而其成本很高，功耗較大，而且大端口交換機價格昂貴。

此外，高性能計算的應用負載普遍具有局部性特征，例如，空間局部性和(或)時間局部性。基于應用的局部通信特征能夠有效利用網絡帶寬，縮短消息延遲，提高網絡吞吐率，通信局部性對計算效率有著重要影響，因此，應用的通信模式是網絡設計的重要依據。另外，Agrawal認為如果不同節點間的通信概率隨著物理距離而減少則并行應用具有通信局部性，應用的通信局部性有助于提高直接網絡的吞吐率并降低延遲，以及Johnson認為并行應用通常可利用通信局部性來實現性能增益，通信局部性依賴算法和數據與處理器的映射和分配，因此，通信局部性使得低維網絡更具有競爭力。

另外，IBM(International Business Machines Corporation，國際商業機器公司)的研究人員分析了11種典型高性能應用的通信模式，發現兩個主導通信性能的規律：一是應用通信對象是有限的，而且通常很小；二是通信對象集通常不變或者變化緩慢。上面這兩條規律說明高性能應用具有很好的空間局部性和時間局部性，此外，大部分高性能計算應用通信模式具有明顯的局部性，通信度較低，通信對象通常是4到8個。