答辩公告

学位论文简介

本文通过分析国内外高性能互连网络以及相关核心技术现状，将主要围绕高阶互连交换芯片结构及容错技术、面向内存互连网络体系结构的高速通信接口优化技术、以及下一代100Gbps光串行接口收发器技术及可扩展光交换技术等方面开展研究，以期取得关键技术突破，缓解E级系统通信墙问题，高效支撑E级应用。本文取得的主要贡献和创新点如下：

（1）高阶互连路由交换芯片结构及容错关键技术

提出了一种基于聚合瓦片的高阶交换芯片路由器微体系结构（ATR），并提出了基于M/D/1排队理论模型的瓦片性能解析优化方法，能将64阶路由交换芯片存储开销及全局总线开销分别降低40%~50%，同时可获得YARC结构98%左右的饱和吞吐率及交换延迟性能。基于聚合瓦片交换结构，在交叉开关调度方面设计了一种面向高阶交换的公平性波阵面仲裁调度算法，仅利用较少开销实现了时序快、吞吐率高、仲裁公平等特点，与传统DRRM算法比报文平均调度时间和平均响应时间降低约15%和21%；在协议及流控制机制方面，提出了分布式分级路由及动态多队列流控制机制有效缓解了路由器缓冲和输入缓冲资源紧张问题，并最大限度地保证缓冲区按需分配；在容错机制方面，设计了智能化网络管理引擎，并提出了故障检测和故障恢复智能算法，允许自动维持故障场景下的网络稳定性，并相对re-coil路由策略和U-turn路由策略具有更好的网络性能。

（2）面向内存互连网络的高速通信互连接口优化关键技术

围绕内存网络体系结构及高速通信互连接口技术，首先面向国产多核处理器提出了一种适应大数据处理的内存网络体系结构，利用内存和互连紧耦合设计无需经过PCI-E接口，有效降低了数据传输开销，同时还能为大数据处理计算系统提供大量内存共享能力。其次提出了内存网络存储控制器中高速通信互连接口结构及优化技术，包括：精简的链路层协议、串行和源同步技术相结合的多组并行总线通道技术、“读命令优先”和“推断写”命令调度技术、多通道并行总线低延迟偏斜结构及虚拟活跃页缓冲器优化技术等。优化后高速通信互连接口能匹配两个存储通道DDR带宽。通过对合成负载和真实负载两种负载在国产处理器平台上测试表明互连接口最高有效带宽为14GB/s，64线程Stream测试激励下总访存带宽为96.99 GB/s，内存访问延迟仅约150ns。虚拟活跃页缓冲器结构能使64线程Stream Open MP程序访存带宽提高16.86%，NPB-MPI程序执行速度提升6%。

（3）100Gbps光串行接口收发器技术及可扩展光交换技术

基于近年来低插入损耗的硅光子开关获得突破进展，提出一种新的光路时分复用（OTDM）方案，利用级联高速光开关在光路上实现多路的分时复用和解复用，将多路低码率位流复用到单路高波特率光链路上，实现了100GBaud传输。通过引入暗调制模式统一传输链路上的信号幅度，解决跨时钟周期串扰问题，进一步实现5路25Gbps信号的分时复用，将单一波长光载波上实现的传输带宽进一步提升到125Gbps。其次利用光交换低功耗和高阶特性搭建大规模网络解决可扩展性问题。提出了一种基于阵列波导光栅路由器的高性能互连网络架构，通过波长聚合和波长复用构造嵌套分层次2D树拓扑架构，减少了系统所需波长总数，使用8个波长构造一个262144结点规模的系统互连。在一个100000结点的系统中，阵列波导光栅路由器（AWGR）互连网络所需的光纤和交换机数量只有胖树的50%和35%。总功耗仅胖树的40%左右。

主要学术成果

[1] Shi XU, Yi DAI, Mingche LAI, Jijun CAO, Kefei WANG. A Scalable Smart Router Architecture with Intelligent Adaptive Routing and Fault-Tolerant Management. Neurocomputing, (Accepted at 11/2017, Web of Science Q1区, SCI影响因子3.317)

[2] Shi XU, Zhang LUO, Mingche LAI, Zhengbing PANG, Renfa LI. Integrated High Speed Optical SerDes over 100GBd Based on Optical Time Division Multiplexing. ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, 14(2), Article 27, May 2018, 16 pages. (Web of Science Q3区, SCI影响因子1.367)

[3] Shi XU, Zhang LEI, Zhiling LI. An AWGR-Based High Performance Optical Interconnect Architecture for Exascale Systems. NCCET, Springer Singapore 2016:157-167.

[4] Shi XU, Renfa LI, Quanyou FENG, Wenhua DOU. A New Method for Control-plane Congestion Control in Chip-scale Optical Networks. International Conference on Materials Engineering, 2016.

[5] Zhang LUO, Shi XU, Mingche LAI et al. 100GBaud Optical Transceiver An Optical Time Division Multiplexing Solution. Opto-Electronics and Communications Conference, 2017:1-2.

[6] 周宏伟, 徐实, 王忠奕, 杨乾明, 冯权友, 邓让钰, 窦强. 面向众核处理器访存链路接口的FPGA验证.国防科大学报, 已录用.

[7] 李仁发, 徐实, 赵振宇, 王耀, 刘畅, 胡逸騉. 基于深亚微米工艺长互连线延迟优化的设计方法研究. 湖南大学学报, 2015, 42 (4):85-92.

[8] 王济铭, 徐实, 王晓凤. 基于双阈值功耗自适应的DVFS调节算法. 申请号：201511034909.X.

[9] 张晓明, 封立平, 黎铁军, 徐实, 黄志鹏, 夏利峰, 水超, 邓秋连, 胡单. 一种基于飞腾平台调试信息打印输出的装置及方法、电脑. 申请号：201511002344.7.

[10] 黎铁军, 艾明哲, 夏利锋, 徐实, 李兵, 刘子瑜, 邓秋连, 曾喜芳, 田宝华, 李红. 一种长高速信号线S参数提取方法及系统. 申请号：201511001806.3

[11] 赵震宇, 袁强, 冯超超, 徐实, 马卓, 马驰远, 余金山, 乐大珩, 何小威, 王耀, 刘海斌. 基于硅通孔技术的三维时钟偏差补偿的方法及装置. 申请号：201710090642.9.