[发明专利]一种通过交换芯片构建的交换系统及其路由算法

说明书

本发明公开了一种通过交换芯片构建的交换系统及其路由算法，该交换系统包括：3个交换单元，并且3个交换单元作Z维连接，以及每个交换单元包括：3个交换主板，并且3个交换主板作Y维连接；以及每个交换主板上均设置有3个交换芯片，并且在每个交换主板上，3个交换芯片作X维连接。本发明通过3个交换单元，并且3个交换单元作Z维连接，以及每个交换单元包括3个交换主板，并且3个交换主板作Y维连接，以及每个交换主板上均设置有3个交换芯片，并且在每个交换主板上，3个交换芯片作X维连接，从而基于商用交换芯片(或交换芯片)构建3D Torus架构的大端口交换机(或交换系统)，以及还提出了路由算法，从而具有低延迟，高性能、低成本、低功耗的特点。

技术领域

本发明涉及通信领域，具体来说，涉及一种通过交换芯片构建的交换系统及其路由算法。

背景技术

随着技术进步和工艺发展，大数据、人工智能等高技术应用的迅猛发展，对高性能计算机的计算能力需求越来越强烈。目前，增强计算能力的方式如下：一种方式则是增强节点的计算能力，采用多核甚至众核处理器来提升单个节点的计算能力；一种方法是扩展系统规模，将大量的处理器互连起来，通过大量并行计算来提升系统的计算能力。

同时，如何保证大量处理器间的高效通信对互连网络提出了严峻挑战，该高效通信的要求为：超高带宽、超低延迟、超大规模。随着规模的不断增长，系统成本和能耗问题越发突出高性能互连网络该如何发展来应对这些挑战呢？互连网络的拓扑结构和路由算法从宏观上决定了网络的可扩展性和通信性能。网络可扩展性不仅受拓扑性质的限制，而且受到物理技术和管理需求，如封装工艺、系统冷却、电源功耗和传输管理等限制。

此外，对于系统设计来说：1、数据搬移的能量消耗是与数据传输的位率(bitrate)成正比的，链路带宽越高，能量消耗也越严重；2、信号传输的能量消耗与传输距离成正比，因此随着能耗问题越来越难以解决带宽倾向于变得愈加局部化。大端口交换机可有效应对这种局部通信特征，大量的通信集中在交换机内部进行，可有效降低对全局网络的通信压力，有利于提升系统性能，但是，大端口交换机的设计难度受限于芯片的晶体管数量，管脚数量，布局布线等众多因素，难以通过单一芯片直接构建，因此大端口交换机通常是通过内部互连多个交换芯片，对外形成一个“虚拟的”大端口交换机。例如，国际上老牌高性能互连网络设备厂商Mellanox以及现在大举进军高性能互连网络市场的处理器巨头Intel的大端口交换机都是内部集成多个交换机芯片构建大端口交换机，拓扑结构普遍采用胖树结构。二层胖树拓扑网络直径只有2跳，具有低延迟，高性能的优势，而且可提供无阻塞通信，但其代价是需要大量的冗余部件来保证高性能，因而其成本很高，功耗较大，而且大端口交换机价格昂贵。

此外，高性能计算的应用负载普遍具有局部性特征，例如，空间局部性和(或)时间局部性。基于应用的局部通信特征能够有效利用网络带宽，缩短消息延迟，提高网络吞吐率，通信局部性对计算效率有着重要影响，因此，应用的通信模式是网络设计的重要依据。另外，Agrawal认为如果不同节点间的通信概率随着物理距离而减少则并行应用具有通信局部性，应用的通信局部性有助于提高直接网络的吞吐率并降低延迟，以及Johnson认为并行应用通常可利用通信局部性来实现性能增益，通信局部性依赖算法和数据与处理器的映射和分配，因此，通信局部性使得低维网络更具有竞争力。

另外，IBM(International Business Machines Corporation，国际商业机器公司)的研究人员分析了11种典型高性能应用的通信模式，发现两个主导通信性能的规律：一是应用通信对象是有限的，而且通常很小；二是通信对象集通常不变或者变化缓慢。上面这两条规律说明高性能应用具有很好的空间局部性和时间局部性，此外，大部分高性能计算应用通信模式具有明显的局部性，通信度较低，通信对象通常是4到8个。