CN103336756B - 一种数据计算节点的生成装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数据计算节点的生成装置，所述装置包括计算管理器和多个计算单板，每个所述计算单板通过交换网络相连接；所述计算管理器通过所述交换网络与每个所述计算单板相连接，用于接收包括有待计算任务的计算需求值的数据计算请求，计算与所述计算需求值相对应的计算单板的目标数量值，确定数量与所述目标数量值等同的计算单板，将确定的计算单板通过可重构网络进行连接，组成用于对所述待计算任务中的数据进行计算的计算强节点。通过本申请实施例，在解决计算的可扩展性的前提下，不仅提高了数据传输效率及数据计算性能，同时利用紧耦合得到的计算强节点从实质上提高了对目标任务的数据计算性能，从根本上解决局部强通信的需求问题。

Description

一种数据计算节点的生成装置

技术领域

本申请涉及高性能计算技术领域，特别涉及一种数据计算节点的生成装置。

背景技术

超级计算机是一个国家科研实力的体现，它对国家安全、经济和社会的发展具有举足轻重的意义。

目前超级计算机的体系结构主要分为两类：以Jaguar和BlueGene/L等为代表的同构体系结构及以Roadrunner为代表的异构体系结构。

上述两种体系结构中，前者采用MPP架构或集群架构实现每秒百万亿次甚至千万亿次的高性能计算，但这种结构能耗较高，随着计算节点的增加，能耗值显著增加，使得这种结构的可扩展性受到能耗限值的影响，当计算节点的规模扩展到千万依次的计算性能量级时，这种结构的CPU核数目达到数十万颗，使得整个计算系统的能耗急速增长。

为了解决上述体系结构中的可扩展性问题，后者所提及的异构体系结构将常规的计算在通用CPU上进行，而数据密集的计算则通过可配置结构的应用加速器（如Cell、GPU、FPGA、ASIC芯片等）来完成，由于加速器的能效较高，从而降低了整个系统的整体能耗，使得异构体系结构成为高性能计算的重要发展方向。

上述异构体系结构中，虽然通过可配置结构的加速器能够解决计算的可扩展性问题，通过加速器减少能耗的同时，加快数据传输或计算性能，但由于加速效率不同，即使在一定程度上能够提高数据传输或计算性能，受各计算节点自身性能的限制，仍然无法从实质上有效提高整体系统的计算性能，在根本上解决局部强通信的需求问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种数据计算节点的生成装置，用以解决现有体系结构中无法从实质上有效提高整体系统的计算性能，在根本上解决局部强通信需求的技术问题。

本申请提供了一种数据计算节点的生成装置，包括计算管理器和多个计算单板，每个所述计算单板通过交换网络相连接；

所述计算管理器通过所述交换网络与每个所述计算单板相连接，用于接收包括有待计算任务的计算需求值的数据计算请求，计算与所述计算需求值相对应的计算单板的目标数量值，确定数量与所述目标数量值等同的计算单板，将确定的计算单板通过可重构网络进行连接，组成用于对所述待计算任务中的数据进行计算的计算强节点。

上述装置，优选的，每个所述计算单板采用全网状fullmesh互联结构通过所述交换网络相连接。

上述装置，优选的，所述计算单板包括可重构互联模块和至少一个计算部件；

每个所述计算部件通过所述可重构互联模块与所述交换网络相连接。

上述装置，优选的，所述计算强节点的计算单板中每个计算部件通过所述可重构互联模块与所述可重构网络相连接。

上述装置，优选的，所述可重构互联模块包括数据分配器。

上述装置，优选的，所述计算部件包括中央处理器CPU、图形处理器GPU或专用可重构计算阵列HRCA。

由上述方案可知，本申请提供的一种数据计算节点的生成装置，通过采用支持大规模全局交换网络与可重构实时网络并存的网络互联结构，实现非对称配置的高带宽数据传输，而执行数据计算任务的计算单板即可独立作为单节点，也可以与其他计算单板通过可重构实时网络紧耦合组成计算强节点，本申请实施例在解决计算的可扩展性的前提下，不仅提高了数据传输效率及数据计算性能，同时，通过紧耦合得到的计算强节点从实质上提高对目标任务的数据计算性能，能够从根本上解决出现的局部强通信的需求问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种数据计算节点的生成装置实施例一的结构示意图；

图2为本申请实施例一的另一结构示意图；

图3为本申请实施例一的部分结构示意图；

图4为本申请实施例一的另一部分结构示意图；

图5为本申请提供的一种数据计算节点的生成装置实施例二的部分结构示意图；

图6为本申请实施例二的另一部分结构示意图；

图7为本申请实施例二的结构示意图；

图8为本申请实施例二中多链路聚合数据通信过程示意图；

图9为本申请实施例二的又一部分结构示意图；

图10为本申请实施例二的应用示例图；

图11为本申请实施例二的又一部分结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参考图1，其示出了本申请提供的一种数据计算节点的生成装置实施例一的结构示意图，所述装置包括计算管理器101和多个计算单板102，每个所述计算单板102通过交换网络103相连接。

其中，所述计算管理器101通过所述交换网络103与每个所述计算单板102相连接，用于接收数据计算请求。

需要说明的是，所述数据计算请求包括待计算任务的计算需求值。

其中，所述计算管理器101在接收到所述数据计算请求之后，计算与所述计算需求值相对应的计算单板102的目标数量值，确定数量与所述目标数量值等同的计算单板102，将确定的计算单板102通过可重构网络104进行连接，如图2所示，组成对所述待计算任务中的数据进行计算的计算强节点105。

需要说明的是，在所述目标数量值为1时，所述计算强节点105中只包括一个计算单板102，在所述目标数量值大于或等于2时，如图2中，所述计算强节点105中包括至少两个计算单板102。

需要说明的是，在实际实现中，所述计算管理器101通过管理服务设备实现。

其中，所述可重构网络104为可重构实时网络，所述可重构实时网络对所述计算强节点105提供可重配置的紧耦合通信链路，所述计算强节点105中的计算单板102通过带宽可重构的可重构网络104进行高带宽、低时延的数据传送，构成逻辑上紧耦合的进行数据高速计算的强节点。

其中，所述计算管理器101接收所述数据计算请求，实现对数据计算的启动功能；所述计算管理器101计算与所述计算需求值相对应的计算单板102的目标数量值，确定数量与所述目标数量值等同的计算单板102，实现对数据计算的配置及任务分配的功能；所述计算管理器101将确定的计算单板102通过可重构网络进行连接，组成计算强节点105，由所述计算强节点对所述待计算任务中的数据进行计算，完成对数据计算的任务调度的功能。

由上述方案中可知，本申请提供的一种数据计算节点的生成装置实施例一，通过采用支持大规模全局交换网络与可重构实时网络并存的网络互联结构，实现非对称配置的高带宽数据传输，而执行数据计算任务的计算单板即可独立作为单计算强节点，也可以与其他计算单板通过可重构实时网络紧耦合组成包含多个计算单板的计算强节点，本申请实施例在解决计算的可扩展性的前提下，不仅提高了数据传输效率及数据计算性能，同时，通过紧耦合得到的计算强节点从实质上提高对目标任务的数据计算性能，能够从根本上解决出现的局部强通信的需求问题。

在实际应用中，所述交换网络103包括大规模全局交换网络，用以对所述计算单板102之间的高带宽数据传送。而每个所述计算单板102在通过所述交换网络的相互连接中，采用全网状fullmesh互联结构通过所述交换网络相连接。如图3所示，为所述计算单板102采用fullmesh互联结构进行连接的结构示意图。在图3中，每个计算单板102间采用fullmesh的互联方式，由此，在如图4所示的计算强节点105构成示意图中，每个计算强节点105中的计算单板均采用fullmesh互联结构相连接，通过带宽可重构的实时网络进行高带宽、低时延的数据传送，从而构成逻辑上紧耦合的强节点。

其中，所述计算强节点105的紧耦合关系可以根据应用需求动态指派，即由所述计算管理器101计算所述目标数量值，确定与该目标数量值等同的计算单板102，在所述fullmesh互联结构的支持下，所述计算强节点105在逻辑上可以通过动态或静态重构构成不同的紧耦合关系；在物理硬件上，由至少一块如2块、3块、4块直至全部n块计算单板组成不同规模的计算强节点，n为所述fullmesh互联结构中相连接的计算单板102的数量。如图4中，第一个计算强节点105由3块计算单板102组成，第二个计算强节点105由2块计算单板102组成。

参考图5，其示出了本申请提供的一种数据计算节点的生成装置实施例二的部分结构示意图，所述计算单板102包括可重构互联模块121和至少一个计算部件122；

其中，每个所述计算部件122通过所述可重构互联模块121与所述交换网络103相连接。

其中，所述计算部件122包括中央处理器CPU、图形处理器GPU或专用可重构计算阵列HRCA。所述HRCA是面向应用定制结构的FPGA，在本申请实施例中，除了可重构的逻辑资源外，增加了面向应用定制的硬核。这些硬核可以提升这个芯片运行应用的性能，并降低功耗。

在如图5所示的装置中，每个所述计算部件122通过所述可重构互联模块121与所述交换网络103中相连接的所有计算单板102进行数据交换传输。同时，所述可重构互联模块121对其所在的计算单板102内部的所有计算部件122之间提供通信链路。

参考图6，其示出了本申请实施例二的另一部分结构示意图，所述计算强节点105的计算单板102中每个计算部件122通过所述可重构互联模块121与所述可重构网络104相连接。

在如图6所示的装置中，所述可重构互联模块121通过所述可重构网络104对其所属计算单板102所属的计算强节点内提供可重配置的紧耦合通信链路。即，如图7所示的装置中，所述计算强节点105中，每个所述计算单板102中的可重构互联模块121通过所述可重构网络104对所述计算强节点105内实现计算单板102之间的数据带宽可重构。

其中，在所述可重构互联模块121中设置数据分配器，由所述数据分配器根据其所述计算强节点104的fullmesh互联结构中的链路数目，完成带宽沿不同链路的分配（或聚合）功能，所述数据分配器即支持单播，也支持组播。所述数据分配器在能够进行数据分配的同时，能够进行数据聚合。

例如，假定所述计算强节点105中的fullmesh互联结构的单链路带宽为M，若两个计算单板102之间实际的通信需求小于或等于M，采用单链路直接传递；若两个计算单板102之间的通信需求为5M，那么可以采用多链路进行数据传输。如图8所示，为一次5链路聚合数据通信过程示意图，在图8中，计算强节点中包括8个计算单板，每个圆圈代表一个计算单板，每个计算单板中设置有含有数据分配器的可重构互联模块，数据在源计算单板传输到目的计算单板的过程中，在源计算单板中可重构互联模块的数据分配器将5M的数据分成5条链路进行数据传输，并在目的计算单板中由目的计算单板中可重构互联模块的数据分配器进行聚合，实现数据传输。

在本申请实施例中，在传输带宽超过fullmesh互联结构的单链路带宽时，既可以采用可重构电路直联方式，也可以采用分组转发方式进行多链路聚合通信，其中：

可重构电路直联方式：通过发送方的可重构互联模块，利用fullmesh互联结构中多条重构完成的链路，利用电路方式将数据直接传送到接收方；同交换网络相比，该方式可以支持用本计算单板的多条链路和借用其它计算单板中的可重构高速互联模块的链路资源，使用电路直联方式进行数据的直接传送；

分组转发方式：经过其它计算组件中分布式配置的可重构互联模块的一次转发，随后在目标组件上完成带宽聚合；

混合模式：电路直联结合分组转发方式，在多源向多目的传送的情况下，通过自定义标准来优化电路直联与分组转发混合传送模式的调试。

在实际应用中，上述图6中所示的装置中，均设置有一个内存存储器分别与每个所述计算部件122相连接，如图9所示，所述内存存储器用以存储所述计算部件122在数据计算过程中所传输或处理到的数据。

需要说明的是，由于计算强节点内的计算单板间通过可重构互联模块以fullmesh互联结构连接，物理连接关系上支持通过静态（或动态）配置以改变可重构互联模块的功能，将其重构为应用需求的具有紧耦合关系的计算算粒，若当前应用不存在计算强节点内大范围、大数据量的通信传输需求时，可以将位于各计算单板上的用于带宽聚合通信可重构互联模块重构成应用所需的计算算粒运算单元；反过来，当应用向计算强节点映射的算法结构更多需要强通信能力时，可重构互联模块仍然保持原来的通信功能设定。

在本申请实际应用中，为提高网络中的数据传输效率，将管理功能如系统监视、启动、配置、任务分配、任务调度等信息传输从计算网络如交换网络和可重构网络中分离出来，由管理网络单独进行数据传输，其中，所述管理网络可以采用以太网结构。如图10所示，所述计算管理器101设置于管理服务设备上，所述计算管理器101通过所述全局交换网络与每个所述计算单板相连接，同时通过管理网络与每个所述计算单板相连接，所述计算管理器101与所述计算单板之间的计算数据通过所述全局交换网络进行传输，所述计算管理器101与所述计算单板之间的功能数据如任务分配及调度等信息通过所述管理网络进行传输，在实现数据输入与输出时，通过设置在所述全局交换网路和管理网络上的IO服务设备实现。

由上述可知，在本申请的实际实现中，每个所述计算单板对外有多重网络互连：全局交换网络、可重构实时网络和管理网络。其中，全局交换网络为主干网络，用于完成计算单板中的计算部件与系统服务器之间、各计算单板上的计算部件之间进行全局数据交换；可重构实时网络则通过高速交换或fullmesh互联方式在计算强节点内各个计算单板或计算部件之间进行高带宽、低延时的快速数据交换，通常是以中间结果为形式的实时数据交换。管理网络（也称配置和监控）网络则用于计算部件的动态配置和整个计算强节点运行状态的监控，以及对电源、功耗等进行动态管理。

如图11所示，在所述计算单板中还包括管理模块，所述计算单板通过所述管理模块与所述管理网络相连接。所述管理模块用以完成对配置与监控网络的通信，即完成对自身的系统加载；接收本计算单板内各计算部件的可重构阵列配置文件，并完成对多片计算部件的重配置与管理；接收相关的系统命令信息，完成对可重构高速互联模块的网络拓扑结构重配置；根据要求搜集并上报计算单板的运行状况等；完成计算单板上各模块的温度监控与各级电压管理。

其中，在图11中，所述计算单板还包括与所述管理模块相连接的电子磁盘，所述电子磁盘用以存储各计算单板、可重构互联模块及管理模块在上电初始化配置数据、需要对各模块进行重构时的配置数据、以及记录计算单板工作状态下的相关信息与日志文件。

由上述方案可知，本申请实施例二，通过可重构互联模块和全局交换网络、可重构实时网络、管理网络进行配合，根据不同应用的计算强度与通信强度，配置和重构不同计算能力的计算强节点，并通过不同计算强节点间的通信与计算在应用算法中的耦合关系，确立应用驱动的非平衡与非对称配置的计算部件配置方案和可重构的信息交互关系与交互能力。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种数据计算节点的生成装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (5)

1.一种数据计算节点的生成装置，其特征在于，包括计算管理器和多个计算单板，每个所述计算单板通过交换网络相连接；

所述计算管理器通过所述交换网络与每个所述计算单板相连接，用于接收包括有待计算任务的计算需求值的数据计算请求，计算与所述计算需求值相对应的计算单板的目标数量值，确定数量与所述目标数量值等同的计算单板，将确定的计算单板通过可重构网络进行连接，组成用于对所述待计算任务中的数据进行计算的计算强节点；所述计算单板包括可重构互联模块和至少一个计算部件；

每个所述计算部件通过所述可重构互联模块与所述交换网络相连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述计算单板采用全网状fullmesh互联结构通过所述交换网络相连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算强节点的计算单板中每个计算部件通过所述可重构互联模块与所述可重构网络相连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述可重构互联模块包括数据分配器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算部件包括中央处理器CPU、图形处理器GPU或专用可重构计算阵列HRCA。