CN108599850A - 基于宽带微环面向多核的存储光互连系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于宽带微环面向多核的存储光互连系统及通信方法，主要解决现有面向百核和千核的存储互连光系统使用微环谐振器数目较多、处理器核访问存储系统时并行性差的问题。其自上而下设置有四层处理器核层、光电交换层、第一光层和第二光层；处理器核层上设置16M个处理器核；光电交换层设置4个存储模块集合Rank和光电交换模块；第一光层和第二光层均设置有M个光互连网络；处理器核层与第一光层、第二光层之间及光电交换层与第一光层、第二光层之间均通过硅通孔连接。本发明减少了存储互连光网络微环谐振器的使用数目，降低了网络规模和复杂程度，提高了处理器核访问存储系统的并行性，可用于多处理器核与存储系统之间的相互通信。

Description

基于宽带微环面向多核的存储光互连系统及通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体是一种存储光互连系统及通信方法，可用于多处理器核与存储系统之间的相互通信。
背景技术
随着技术的发展，下一代高性能计算机为提高运算能力和速度，需要在片上集成多个处理器核，进而对处理器核和与存储系统之间的互连架构在各方面的性能有着更高的要求。存储系统在计算机中用于存储处理器核处理所需的各种数据，由一组工作在锁步状态的存储模块的集合Rank和存储访问控制器组成。存储互连包括处理器核与存储系统之间互相通信所需要使用的结构和通信方法。与传统的电总线存储互连相比，片上存储光互连在通信带宽、通信时延、功耗开销等方面具有显著优势。
Sébastien Le Beux,Jelena Trajkovic,Ian O'Connor等人发表的论文“OpticalRing Network-on-Chip(ORNoC):Architecture and Design Methodology”(发表年份：2011，发表会议：Design,Automation&Test in Europe，pp.1-6)中提出一个环形光互连架构ORNoC，借助102根光波导提供了1296个接入点，适合在二维平面和三维平面上大规模集成处理器核，且整体系统访存具有高带宽和低时延的优势。但该架构存在的不足是：所使用的窄带微环谐振器数量较多，当片上集成的处理器核数目逐渐增加到百核甚至是千核时，整体架构中微环谐振器的使用数量也会急剧上升，进而导致整个网络的规模和复杂程度随之以同样程度提高。
Kang Wang,Huaxi Gu,Yintang Yang等人发表的论文“Optical interconnectionnetwork for parallel access to multi-rank memory in future computing systems”(发表年份：2015，发表期刊：Optical Express,Vol.23pp.20480-20494)中同样提出一个面向64核系统的存储互连光网络架构。该架构在存储系统的Rank端与光互连网络之间的接口使用宽带微环谐振器来同时耦合多个波长的光信号，使得微环谐振器使用数量得到减少。但该架构存在的不足是：整体架构的关键光互连网络部分，仍然采用的是窄带微环谐振器，且总共使用512个窄带微环谐振器，当片上集成的处理器核数目逐渐增加到百核甚至是千核时，同样将面临整体架构中微环谐振器的使用数量急剧上升，进而导致整个网络的规模和复杂度随之增高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术不足，提出一种基于宽带微环面向多核的存储光互连系统及通信方法，以在保证处理器核与存储系统之间的通信无阻塞且互不干扰的前提下，减少存储互连系统中所使用的微环谐振器数量，提高处理器核访问存储系统的并行性。
为实现上述目的，本发明基于宽带微环面向多核的存储光互连系统，包括包括处理器核层、光电交换层、第一光层、第二光层、硅通孔、光电交换模块、4个存储模块集合Rank、2个调制器、2个解调器，其特征在于：
处理器核层，光电交换层，第一光层和第二光层自上而下设置；
所述的处理器核层设为四层，每层均设置有4M个处理器核和一个存储访问控制器，M为大于等于1的整数；
光电交换模块和4个存储模块集合Rank设置在光电交换上；
第一光层上设置有与处理器核位置相对应的M个第一光互连网络，用于进行从处理器核到存储模块集合Rank之间的通信，M为大于等于1的整数；
第二光层上设置有与处理器核位置相对应的M个第二光互连网络，用于进行从存储模块集合Rank到处理器核之间的通信。
进一步，所述的四层处理器核层上共放置有16M个处理器核，且将Z轴方向上位于同一列但不同层的处理器核i+16k、处理器核i+4+16k、处理器核i+8+16k和处理器核i+12+16k记为Z轴的一列处理器核；将X轴方向上相邻的4列处理器核记为X轴的一组处理器核，其中1≤i≤4，0≤k≤M-1，i,k均是整数。
进一步，所述Z轴的一列处理器核使用第一光互连网络上的同一个端口与存储模块集合Rank通信；X轴的一组处理器核使用同一个第一光互连网络与存储模块集合Rank通信。
为实现上述目的，本发明利用基于宽带微环面向多核的存储光互连系统进行通信的方法，包括：
1)激光源经过功率分配装置后发射出一系列波长不同、功率相同的光信号，使用统一端口进行通信的Z轴的一列处理器核根据所需要进行通信的存储模块集合Rank的编号，耦合对应的光信号；
2)Z轴的一列处理器核发送存储访存信号到存储访问控制器，存储访问控制器控制第一调制器，依次对对应波长的光信号进行调制，使得光信号携带有访存信号中相同的信息，然后从第一光互连网络输入端进入第一光互连网络；
3)携带有访存信息的光信号直接经过第一光互连网络中的光波导传输或经过第一光互连网络中光波导的传输后与宽带微环谐振器的耦合，再从光互连网络的输出端口进入存储系统；
4)携带有访存信息的光信号经过第一解调器，重新转变为电信号，并传输到存储模块的集合Rank中；
5)存储系统接收到携带有访存信息的电信号后，使用相同波长的光信号分别向4个处理器核发送对应的响应信息，并经过第二调制器使光信号携带有响应信息，进入第二光互连光互连网络；
6)携带有响应信息的光信号从第二光互连网络输出端进入处理器核端，然后被不同谐振波长的窄带微环谐振器耦合到不同的处理器核层，再经过第二解调器转变为电信号，最后将响应信息传递给处理器核，从而完成整个通信过程。
本发明与现有系统相比，具有以下优点：
第一，减少了微环谐振器数量。
本发明借助同时能耦合多个波长光信号的宽带微环谐振器，与现有只能耦合一个波长光信号的窄带微环谐振器的光互连系统相比，系统中所使用的微环谐振器数量显著减少，进而使系统的规模和复杂程度得到优化。
第二，提高了处理器核访问存储系统的并行性。
本发明借助宽带微环谐振器搭建光互连网络，与现有只能满足一个处理器核与存储系统进行通信的光互连系统相比，能实现多个处理器核与存储系统同时进行通信，进而提高了处理器核访问存储系统的并行性。
附图说明
图1是本发明基于宽带微环面向多处理器核的存储光互连系统示意图；
图2是本发明中使用的存储互连光网络结构示意图；
图3是本发明中光交换单元的不同工作状态示意图；
图4是本发明通信使用光信号波长分配方案示意图；
图5是本发明用图1系统进行通信的流程示意图；
图6是本发明系统与现有结构在不同处理器核数目下微环谐振器使用数量对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参照图1，本发明基于宽带微环面向多核的存储光互连系统，自上而下设置处理器核层1、光电交换层2、第一光层3和第二光层4；
该处理器核层1设为四层，每层均设置有4M个处理器核7、一个存储访问控制器11和硅通孔5，M为大于等于1的整数；四层处理器核层上共放置有16M个处理器核7，且将Z轴方向上位于同一列但不同层的处理器核i+16k、处理器核i+4+16k、处理器核i+8+16k和处理器核i+12+16k记为Z轴的一列处理器核，Z轴的一列处理器核使用第一光互连网络9上的同一个端口与存储模块集合Rank8通信；将X轴方向上相邻的4列处理器核7记为X轴的一组处理器核，X轴的一组处理器核使用同一个第一光互连网络9与存储模块集合Rank8通信，其中1≤i≤4，0≤k≤M-1，i,k均是整数。当系统中的处理器核7数目从16M增加到16(M+1)时，则将增加的16个处理器核7平均分布于4层处理器核层1，每层处理器核层1上增加4个处理器核7，每层处理器核层1上增加的4个可沿X轴或Y轴任意方向叠加的处理器核7，且这16个处理器核需在Z轴方向上保持一致，即同时沿X轴方向叠加或同时沿Y轴方向叠加，并且在第一光层3和第二光层4各增加1个光互连网络，位置与增加的处理器核相对应。
该光电交换层2上设置有光电交换模块6、4个存储模块集合Rank 8和硅通孔5；
该第一光层3上设置有与处理器核7位置相对应的M个用于进行从处理器核7到存储模块集合Rank 8之间的通信的第一光互连网络9和硅通孔5，M为大于等于1的整数；
该第二光层4上设置有与处理器核7位置相对应的M个用于进行从存储模块集合Rank 8到处理器核7之间的通信的第二光互连网络10和硅通孔5；
系统中各层之间的连接关系为：处理器核层1分别与第一光层3和第二光层4通过硅通孔5相连接；光电交换层2分别与第一光层3和第二光层4通过硅通孔5相连接。
进一步，第一光层3上还设置有第一调制器12和第一解调器14；第二光层上设置有第二调制器13和第二解调器14；两个调制器均用于实现电信号到光信号的转换，两个解调器均用于实现光信号到电信号的转换；其中第一调制器12与第一光互连网络9的输入端口相连，第一解调器14与第一光互连网络9的输出端口相连；第二调制器13与第二光互连网络10的输入端口相连，第二解调器15与第二光互连网络10的输出端口相连；
参照图2，本发明系统中所使用的光互连网络9，由4个输入端口91、4个输出端口92、4根用于传递信息的光波导93和6个具有4种谐振波长的宽带微环谐振器94组成；其中第一输入端口标号为911，第二输入端口标号为912，第三输入端口913，第四输入端口标号为914；第一输出端口标号为921，第二输出端口标号为922，第三输出端口标号为923，第四输出端口标号为924；第一根光波导标号为931，第二根光波导标号为932，第三根光波导标号为933，第四根光波导标号为934；第一个宽带微环谐振器标号为941，第二个宽带微环谐振器标号为942，第三个宽带微环谐振器标号为943，第四个宽带微环谐振器标号为944，第五个宽带微环谐振器标号为945，第六个宽带微环谐振器标号为946。
所述第一光互连网络9中的第一输入端口911与第一列处理器核，包括处理器核1+16k、处理器核5+16k、处理器核9+16k和处理器核13+16k相连，第二输入端口912与第二列处理器核，包括处理器核2+16k、处理器核6+16k、处理器核10+16k和处理器核14+16k相连，第三输入端口913与第三列处理器核，包括处理器核3+16k、处理器核7+16k、处理器核11+16k和处理器核15+16k相连，第四输入端口914与第四列处理器核，包括处理器核4+16k、处理器核8+16k、处理器核12+16k和处理器核16+16k相连。
所述第一光互连网络9中第一输出端口921与第一存储模块集合Rank相连，第二输出端口922与第二存储模块集合Rank相连，第三输出端口923与第三存储模块集合Rank相连，第四输出端口924与第四存储模块集合Rank相连。
所述第一光互连网络9中的第一根光波导931连接在第一输入端口911与第一输出端口921之间，并与第二根光波导932和第一个宽带微环谐振器941组成第一光交换单元，与第三根光波导933和第二个宽带微环谐振器942组成第二光交换单元，与第四根光波导934和第三个宽带微环谐振器943组成第三光交换单元；
第二根光波导932连接在第二输入端口912与第二输出端口922之间，并与第三根光波导933和第六个宽带微环谐振器946组成第四光交换单元，与第四根光波导934和第四个宽带微环谐振器944组成第五光交换单元；
第三根光波导933连接在第三输入端口913与第三输出端口923之间，并与第四根波导934和第五个宽带微环谐振器945组成第六光交换单元；
第四根光波导934连接在第四输入端口914与第四输入端口924之间；
所述第一光互连网络9中的6个宽带微环谐振器94的谐振波长不同，其根据微环谐振器的自由光谱范围和光传输系统所用光信号对应波长的间隔进行分配，具体由如下公式给出：
MRi＝{λj|j＝i+7×a},0≤i≤6,0＜a＜N,i,a均为整数
式中，MRi为第i个宽带微环谐振器谐振波长的集合，N为每个宽带微环谐振器谐振波长数目，λj为谐振波长的序号。
由于本发明系统中共设置4层处理器核，且位于不同层的一列处理器核会使用光互连网络中同一个端口进行通信，因此光互连网络所使用的宽带微环谐振器谐振波长数为4，则上式中的N对应取4，进而得到的具体分配结果如图4所示。
如图4所示，6个宽带微环谐振器94的谐振波长分别为：
第一个宽带微环谐振器941的谐振波长为λ1，λ8，λ15和λ22；
第二个宽带微环谐振器942的谐振波长为λ2，λ9，λ16和λ23；
第三个宽带微环谐振器943的谐振波长为λ3，λ10，λ17和λ24；
第四个宽带微环谐振器944的谐振波长为λ4，λ11，λ18和λ25；
第五个宽带微环谐振器945的谐振波长为λ5，λ12，λ19和λ26；
第六个宽带微环谐振器946的谐振波长为λ6，λ13，λ20和λ27。
所述第一光互连网络9中4个输入端口91到4个输出端口92的16条通信链路对应使用波长，如表1所示：
表1：波长分配表
参照图3，本发明系统的第一光互连网络9中的光交换单元由两根传递信息的光波导93和一个具有4种谐振波长的宽带微环谐振器94组成，在现代硅基光器件工艺中，无源微环谐振器的尺寸即谐振波长在生产时已经设置成特定的数值。该光交换单元的具体工作方式为如图3所示。
当光交换单元处于如图3(a)所示的开状态，且输入光信号的波长与微环谐振器的谐振波长相同时，光信号从原光波导被耦合到微环谐振器的环形腔中，进而进入另一根光波导，从另一根光波导输出；
当光交换单元处于如图3(b)所示的开状态，且输入光信号的波长与微环谐振器的谐振波长不相同时，光信号继续沿原光波导继续传输，不经过微环谐振器的环形腔；
当光交换单元处于如图3(c)所示的关状态时，无论输入光信号的波长与微环谐振器的谐振波长是否相同，光信号均继续沿原光波导继续传输，不经过微环谐振器的环形腔。
参照图5，利用上述基于宽带微环面向多处理器核的存储光互连系统进行通信的步骤如下：
步骤1：耦合光信号。
激光源经过功率分配装置后发射出一系列波长不同、功率相同的光信号，使用统一端口进行通信的Z轴的一列处理器核，包括有处理器核i+16k、处理器核i+4+16k、处理器核i+8+16k、处理器核i+12+16k，并根据所需要进行通信的存储模块集合Rank选定通信链路，再按照表1给选定的通信链路耦合对应的光信号；
步骤2：调制光信号。
Z轴的一列处理器核，包括有处理器核i+16k、处理器核i+4+16k、处理器核i+8+16k、处理器核i+12+16k，分别发送存储访存信号到存储访问控制器，通过存储访问控制器控制第一调制器，依次对对应波长的光信号进行调制，使得光信号携带有访存信号中相同的信息，然后从第一光互连网络输入端进入第一光互连网络。
步骤3：传输光信号。
携带有访存信息的光信号直接经过第一光互连网络中的光波导传输或经过第一光互连网络中光波导的传输后与宽带微环谐振器耦合，再从光互连网络的输出端口进入存储系统。
步骤4：解调光信号。
携带有访存信息的光信号经过第一解调器，重新转变为电信号，并传输到存储模块的集合Rank中。
步骤5：发送响应光信号。
存储系统接收到携带有访存信息的电信号后，使用相同波长的光信号分别向4个处理器核发送对应的响应信息，并经过第二调制器使光信号携带有响应信息，进入第二光互连光互连网络；
步骤6：传输响应光信号。
携带有响应信息的光信号从第二光互连网络输出端进入处理器核端，然后被不同谐振波长的窄带微环谐振器耦合到不同的处理器核层，再经过第二解调器转变为电信号，最后将响应信息分别传递给处理器核i+16k、处理器核i+4+16k、处理器核i+8+16k和处理器核i+12+16k，从而完成整个通信过程。
本发明的效果可通过以下对比实验进一步说明：
将本发明与现有的λ-Router结构、论文“Optical Ring Network-on-Chip(ORNoC):Architecture and Design Methodology”中提出的ORNoC结构在不同处理器核数目下，对系统中微环谐振器使用数量进行对比计算，结果如图(6)所示，图(6)中的横坐标为三种不同的结构，纵坐标为结构中微环使用数目，单位是个，其中：
图6(a)为系统中处理器核数目为64的情况，即本发明与λ-Router结构相比，微环使用数目减少了168个，减少比例为87.5％；与ORNoC结构相比微环使用数目减少了232个，减少比例为90.625％；
图6(b)为系统中处理器核数目为256的情况，即本发明与λ-Router结构相比，微环使用数目减少了672个，减少比例为87.5％；与ORNoC结构相比，微环使用数目减少了928个，减少比例为90.625％；
图6(c)为系统中处理器核数目为1024的情况，即本发明与λ-Router结构相比，微环使用数目减少了2688个，减少比例为87.5％；与ORNoC结构相比，微环使用数目减少了3712个，减少比例为90.625％。
综上，本发明与现有的λ-Router结构、ORNoC结构相比，当系统中处理器核数目增加到百核甚至是千核时，系统中使用的微环谐振器数目显著减少，进而使系统的规模和复杂程度得到优化。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于宽带微环面向多核的存储光互连系统，包括处理器核层(1)、光电交换层(2)、第一光层(3)、第二光层(4)、硅通孔(5)、光电交换模块(6)、4个存储模块集合Rank(8)、2个调制器(12，13)、2个解调器(14，15)，其特征在于：
处理器核层(1)，光电交换层(2)，第一光层(3)和第二光层(4)自上而下设置；
所述的处理器核层(1)设为四层，每层均设置有4M个处理器核(7)和一个存储访问控制器(11)，M为大于等于1的整数；
光电交换模块(6)和4个存储模块集合Rank(8)设置在光电交换层(2)上；
第一光层(3)上设置有与处理器核(7)位置相对应的M个第一光互连网络(9)，用于进行从处理器核(7)到存储模块集合Rank(8)之间的通信，M为大于等于1的整数；
第二光层(4)上设置有与处理器核(7)位置相对应的M个第二光互连网络(10)，用于进行从存储模块集合Rank(8)到处理器核(7)之间的通信。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的四层处理器核层(1)上共放置有16M个处理器核(7)，且将Z轴方向上位于同一列但不同层的处理器核i+16k、处理器核i+4+16k、处理器核i+8+16k和处理器核i+12+16k记为Z轴的一列处理器核；将X轴方向上相邻的4列处理器核记为X轴的一组处理器核，其中1≤i≤4，0≤k≤M-1，i,k均是整数。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：Z轴的一列处理器核使用第一光互连网络(9)上的同一个端口与存储模块集合Rank(8)通信；X轴的一组处理器核使用同一个第一光互连网络(9)与存储模块集合Rank(8)通信。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：第一调制器(12)和第一解调器(14)设置在第一光层(3)上，且第一调制器(12)与第一光互连网络(9)的输入端口相连，第一解调器(14)与第一光互连网络(9)的输出端口相连。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：第二调制器(13)和第二解调器(15)设置在第二光层(4)上，且第二调制器(13)与第二光互连网络(10)的输入端口相连，第二解调器(15)与第二光互连网络(10)的输出端口相连。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：处理器核层(1)分别与第一光层(3)和第二光层(4)通过硅通孔(5)相连接；光电交换层(2)分别与第一光层(3)和第二光层(4)通过硅通孔(5)相连接。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的第一光互连网络(9)由4个输入端口(91)、4个输出端口(92)、4根用于传递信息的光波导(93)和6个具有4种谐振波长的宽带微环谐振器(94)组成；
该第一根光波导(931)连接在第一输入端口(911)与第一输出端口(921)之间，并与第二根光波导(932)和第一个宽带微环谐振器(941)组成一个第一光交换单元，与第三根光波导(933)和第二个宽带微环谐振器(942)组成一个第二光交换单元，与第四根光波导(934)和第三个宽带微环谐振器(943)组成一个第三光交换单元；
该第二根光波导(932)连接在第二输入端口(912)与第二输出端口(922)之间，并与第三根光波导(933)和第六个宽带微环谐振器(946)组成一个第四光交换单元，与第四根光波导(934)和第四个宽带微环谐振器(944)组成一个第五光交换单元；
该第三根光波导(933)连接在第三输入端口(913)与第三输出端口(923)之间，并与第四根波导(934)和第五个宽带微环谐振器(945)组成一个第六光交换单元；
该第四根光波导(934)连接在第四输入端口(914)与第四输入端口(924)之间。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的第一光互连网络(9)中的6个宽带微环谐振器(94)的谐振波长分别为：
第一个宽带微环谐振器(941)的谐振波长为λ1，λ8，λ15和λ22；
第二个宽带微环谐振器(942)的谐振波长为λ2，λ9，λ16和λ23；
第三个宽带微环谐振器(943)的谐振波长为λ3，λ10，λ17和λ24；
第四个宽带微环谐振器(944)的谐振波长为λ4，λ11，λ18和λ25；
第五个宽带微环谐振器(945)的谐振波长为λ5，λ12，λ19和λ26；
第六个宽带微环谐振器(946)的谐振波长为λ6，λ13，λ20和λ27。
9.一种利用权利要求1所述系统进行通信的方法，其特征在于：
1)激光源经过功率分配装置后发射出一系列波长不同、功率相同的光信号，使用统一端口进行通信的Z轴的一列处理器核根据所需要进行通信的存储模块集合Rank的编号，耦合对应的光信号；
2)Z轴的一列处理器核发送存储访存信号到存储访问控制器，存储访问控制器控制第一调制器，依次对对应波长的光信号进行调制，使得光信号携带有访存信号中相同的信息，然后从第一光互连网络输入端进入第一光互连网络；
3)携带有访存信息的光信号直接经过第一光互连网络中的光波导传输或经过第一光互连网络中光波导的传输后与宽带微环谐振器的耦合，再从光互连网络的输出端口进入存储系统；
4)携带有访存信息的光信号经过第一解调器，重新转变为电信号，并传输到存储模块的集合Rank中；
5)存储系统接收到携带有访存信息的电信号后，使用相同波长的光信号分别向4个处理器核发送对应的响应信息，并经过第二调制器使光信号携带有响应信息，进入第二光互连光互连网络；
6)携带有响应信息的光信号从第二光互连网络输出端进入处理器核端，然后被不同谐振波长的窄带微环谐振器耦合到不同的处理器核层，再经过第二解调器转变为电信号，最后将响应信息传递给处理器核，从而完成整个通信过程。
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