用于機(jī)架級(jí)計(jì)算機(jī)的可擴(kuò)展低功耗高性能光學(xué)網(wǎng)絡(luò)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
! @4 ?5 \, M% |3 r4 U9 o) j# y隨著科學(xué)計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等大規(guī)模應(yīng)用對(duì)處理能力和計(jì)算能力的需求不斷增加，高性能計(jì)算系統(tǒng)正在向百億億次級(jí)系統(tǒng)演進(jìn)。機(jī)架級(jí)計(jì)算系統(tǒng)作為未來百億億次級(jí)系統(tǒng)的潛在解決方案，提供了緊密耦合的計(jì)算和通信資源，以實(shí)現(xiàn)機(jī)架內(nèi)高效的數(shù)據(jù)移動(dòng)。然而，傳統(tǒng)的電氣互連面臨著滿足這些系統(tǒng)能源消耗需求的挑戰(zhàn)。本文探討了光學(xué)互連作為高性能計(jì)算系統(tǒng)傳統(tǒng)電氣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)替代方案的潛力，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)架級(jí)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（RSON）架構(gòu)[1]。
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" O( h, Y: J1 ^% S: r! G- q( {RSON架構(gòu)概述
1 g; D% Y! s2 z  v* F' w9 F* a. {RSON是光學(xué)機(jī)架內(nèi)通信架構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)機(jī)架級(jí)計(jì)算系統(tǒng)的高性能和高能效。該架構(gòu)同時(shí)包含片上和片外網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建了多域光學(xué)網(wǎng)絡(luò)。讓我們來看看RSON結(jié)構(gòu)的概述：
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- |' U, {6 m4 k" ~  H圖1：RSON結(jié)構(gòu)概述。片間網(wǎng)絡(luò)通過多級(jí)光學(xué)交換結(jié)構(gòu)連接服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，ONoC設(shè)計(jì)用于連接片上存儲(chǔ)控制器和光學(xué)節(jié)點(diǎn)間接口。

% S9 a& N( v6 d8 V如圖1所示，RSON架構(gòu)使用低損耗高基數(shù)多級(jí)光學(xué)交換結(jié)構(gòu)來全面連接多個(gè)電氣/光學(xué)混合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)包含混合電氣片上網(wǎng)絡(luò)（ENoC）和光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)（ONoC），利用電氣和光學(xué)互連的優(yōu)勢(shì)。

FODON交換機(jī)設(shè)計(jì)
RSON架構(gòu)采用樓層優(yōu)化三角光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（FODON）交換機(jī)作為多級(jí)光學(xué)交換機(jī)。FODON交換機(jī)設(shè)計(jì)支持高基數(shù)低信號(hào)損耗，適用于連接不斷增加的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和其他組件。

& ]' a+ ^2 X% F8 y4 ~# NFODON交換機(jī)的主要特點(diǎn)包括：

使用硅波導(dǎo)和光纖作為數(shù)據(jù)通道

微環(huán)諧振器作為基本交換元件

輸入、中間和輸出交換級(jí)

優(yōu)化樓層布局以減少光學(xué)交叉和通過引起的信號(hào)損耗

每個(gè)ONoC接口配備片外激光器組

采用邊緣耦合將光信號(hào)耦合到波導(dǎo)中

使用波長(zhǎng)分集復(fù)用（WDM）提高帶寬
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FODON交換機(jī)使用主動(dòng)控制在輸入和輸出端口對(duì)之間建立連接，根據(jù)特定需求靈活配置路徑。
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8 ^! m/ P5 a' ^. f' W! V搶占式鏈反饋控制方案
為解決光學(xué)通信中線路交換的挑戰(zhàn)，RSON架構(gòu)實(shí)施了搶占式鏈反饋（PCF）控制方案。該方案使用多單元預(yù)留窗口分配網(wǎng)絡(luò)資源并管理請(qǐng)求競(jìng)爭(zhēng)。讓我們看看PCF方案的工作原理：

, k/ v& D! {. w; V% A圖2：相鄰資源1和2之間的PCF示例以及窗口單元的結(jié)構(gòu)。
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圖2說明了相鄰資源之間的PCF方案。請(qǐng)求矢量從資源1流向資源2，攜帶請(qǐng)求源、目的地、長(zhǎng)度和要預(yù)留的單元ID信息。當(dāng)預(yù)期單元預(yù)留失敗時(shí)，會(huì)觸發(fā)反饋矢量，釋放先前資源中相應(yīng)的搶占式預(yù)留時(shí)隙。


% D# x! K, w! b6 Y$ j& C: G性能評(píng)估
4 L: s$ R& ]7 \- N+ K對(duì)RSON架構(gòu)（配備PCF控制方案和FODON交換機(jī)）與其他架構(gòu)（包括傳統(tǒng)基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)）進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)估考慮了系統(tǒng)規(guī)模、互連帶寬和鏈路長(zhǎng)度等各種因素。讓我們看看一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：
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, ~2 E: K# \/ F3 i3 {# T6 m1. 系統(tǒng)性能：

圖3：不同應(yīng)用和平均情況下，不同系統(tǒng)規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化性能比較。
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如圖3所示，配備PCF控制方案和FODON交換機(jī)的RSON架構(gòu)表現(xiàn)出最佳的可擴(kuò)展性。與以太網(wǎng)架構(gòu)和采用握手方案的RSON相比，其性能顯著提高，尤其是在系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí)。

2. 能源消耗：

/ I) y% ~1 b8 |( X9 u圖4：平均情況下的能源分解。這里，F(xiàn)T代表胖樹，HS代表握手方案。

8 ]' f- ?. y5 n圖4顯示，RSON架構(gòu)，特別是采用PCF方案和FODON交換機(jī)的版本，在這些架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了最低的系統(tǒng)能源消耗。處理器核心消耗的能量占整個(gè)系統(tǒng)能源消耗的約60%。

3 [" {$ ]9 _. z! }" F7 k. w" o3. 光學(xué)能效：

圖5：不同應(yīng)用和平均情況下，在不同互連帶寬下的標(biāo)準(zhǔn)化光學(xué)互連能效。
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$ p; }- B$ N, X; @7 ^4 P) U# }圖5表明，采用FODON交換機(jī)和PCF控制方案的RSON架構(gòu)在所有架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了最佳能效，尤其是在更高帶寬時(shí)。
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. h8 s: P4 M% p5 T, F; ]* Z& m3 f# b4. 系統(tǒng)性能每單位能耗（PPE）：
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. n* l  E: y2 S4 s5 s0 Y7 P圖6：不同應(yīng)用和平均情況下，在不同系統(tǒng)規(guī)模下的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)性能每單位能耗。
" p8 K+ B, [; J( G1 H. a: C+ R
! E& }5 u' y; W0 u# a9 ?" a圖6說明，RSON架構(gòu)，尤其是采用PCF方案和FODON交換機(jī)的版本，在不同系統(tǒng)規(guī)模下始終表現(xiàn)出更高的PPE值。以太網(wǎng)架構(gòu)呈現(xiàn)出更小的PPE值，且隨著系統(tǒng)規(guī)模增加，下降趨勢(shì)更加迅速。

$ A( v& q" `4 R! _: e6 t結(jié)論
0 V  g6 P) s: e; J0 T9 W) O配備FODON交換機(jī)和PCF控制方案的RSON架構(gòu)在性能、能效和可擴(kuò)展性方面相比傳統(tǒng)基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)和其他光學(xué)網(wǎng)絡(luò)配置展現(xiàn)出顯著改進(jìn)。隨著高性能計(jì)算系統(tǒng)持續(xù)向百億億次級(jí)能力演進(jìn)，RSON架構(gòu)為解決機(jī)架級(jí)計(jì)算系統(tǒng)中的互連挑戰(zhàn)提供了一個(gè)有前景的解決方案。

) h8 U' T4 C' o! n$ x0 r6 W" ~/ W通過利用光學(xué)互連的優(yōu)勢(shì)，如低延遲、高帶寬和高數(shù)據(jù)率下的低功耗，RSON架構(gòu)為下一代高性能計(jì)算系統(tǒng)提供了一條可行的發(fā)展路徑。FODON交換機(jī)設(shè)計(jì)與PCF控制方案的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了高效的資源分配和競(jìng)爭(zhēng)管理，進(jìn)一步提升了整體系統(tǒng)性能和能效。

隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展，未來的工作可能會(huì)集中在為特定應(yīng)用領(lǐng)域優(yōu)化RSON架構(gòu)、探索新型光學(xué)器件和材料以提高性能，以及開發(fā)先進(jìn)的控制方案以進(jìn)一步提高資源利用率和系統(tǒng)效率。

2 Z1 ~: B( E" N$ R8 Z6 D參考文獻(xiàn)
, E4 I5 k5 s8 S[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
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