專利名稱：內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及自洽擴(kuò)展該架構(gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及自洽擴(kuò)展該架構(gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)，具體地說，涉及一種主處理器單元(Master Processing Unit，MPU)的內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)以及自洽擴(kuò)展該拓?fù)浼軜?gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
人們對(duì)于具有更高性能計(jì)算能力的超級(jí)計(jì)算機(jī)的追求從未停止過，現(xiàn)代“超級(jí)計(jì)算”基本上更多的是特指能進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬的大規(guī)模運(yùn)算系統(tǒng)。所以，我們一般不把消息傳遞能力低下的分布計(jì)算機(jī)群系統(tǒng)叫做超級(jí)計(jì)算機(jī)，而只把運(yùn)算節(jié)點(diǎn)間具有較高消息傳遞能力的并行計(jì)算系統(tǒng)才稱作是“超級(jí)計(jì)算機(jī)”(或稱“超級(jí)并行計(jì)算機(jī)”)。超級(jí)計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)件主要是運(yùn)算處理單元、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)等三個(gè)層面的組成部分。在許多的并行計(jì)算的應(yīng)用項(xiàng)目中，尤其是在細(xì)粒度并行應(yīng)用中，其最終性能多數(shù)時(shí)候是由系統(tǒng)的通信能力所決定，而往往不是被運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力所限制，而這一現(xiàn)象也使并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有更苛刻的要求。很顯然，要滿足超大規(guī)模并行計(jì)算的通信要求，如果單用簡(jiǎn)單的互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，比如“胖樹”，或者現(xiàn)在流行的N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，單靠節(jié)點(diǎn)數(shù)量的堆積，是很難達(dá)到高可擴(kuò)展、高帶寬、低延遲的高性能并行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一類內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及自洽擴(kuò)展該拓?fù)浼軜?gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有并行計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的最終性能因通信能力和效率所限制的問題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案提供一種互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，用于主處理器單元內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)；該拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維(K∈Z+)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連。
相應(yīng)地，一種并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括N個(gè)(N∈Z+)處理節(jié)點(diǎn)，N個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，以及互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)；每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)中集成有本地網(wǎng)絡(luò)路由單元，提供與其他通信節(jié)點(diǎn)直接互連的功能；所述互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維(K∈Z+)互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有2N個(gè)節(jié)點(diǎn)(每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)或通信節(jié)點(diǎn)均視為一個(gè)節(jié)點(diǎn))。其中的每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)所組成的K維(K∈Z+)立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連；其中的每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰處理節(jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連。
相應(yīng)地，另一種并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括N個(gè)(N∈Z+)處理節(jié)點(diǎn)，以及互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)；每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)中集成有本地網(wǎng)絡(luò)路由單元，提供與其它處理節(jié)點(diǎn)直接互連的功能；所述互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)(每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)視為一個(gè)節(jié)點(diǎn))。其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)節(jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連。
采用上述互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及應(yīng)用該拓?fù)浼軜?gòu)所擴(kuò)展而成的并行計(jì)算系統(tǒng)，稱為MPU系統(tǒng)，每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)可直接或者間接連接到內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中其他處理節(jié)點(diǎn)的子集上，使所有的節(jié)點(diǎn)整合成為一臺(tái)高耦合的、自洽的、高擴(kuò)展并能靈活調(diào)整的并行計(jì)算系統(tǒng)。一個(gè)MPU系統(tǒng)本身既可視為是一臺(tái)高性能高可擴(kuò)展的并行計(jì)算系統(tǒng)；又可視為是一個(gè)高性能高耦合的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，借助MPU的外聯(lián)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以組建成一個(gè)整合的規(guī)模更大的超級(jí)并行計(jì)算系統(tǒng)。


圖1是一個(gè)一般2維MPU(N×N)系統(tǒng)的笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)圖；圖2是一個(gè)基于直接連接網(wǎng)絡(luò)、2維I型MPU(4×4)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例圖；圖3是一個(gè)基于間接連接網(wǎng)絡(luò)、2維II型MPU(4×4)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例圖；圖4是一個(gè)3維II型MPU系統(tǒng)的體心拓?fù)溥B接方式實(shí)施例圖；圖5是一個(gè)3維II型MPU系統(tǒng)的部分連接方式實(shí)施例圖。
具體實(shí)施例方式
下面根據(jù)圖1至圖5，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施方案，并予以詳細(xì)描述，使能更好地理解本發(fā)明的功能、并發(fā)揮其特點(diǎn)。
本發(fā)明按照交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式的不同，MPU拓?fù)浼軜?gòu)可分為MPU直接網(wǎng)絡(luò)(I型)系統(tǒng)和MPU間接網(wǎng)絡(luò)(II型)系統(tǒng)。一般的K維MPU系統(tǒng)，可記為MPU(N1×N1×L×NK)。借助于笛卡爾參考坐標(biāo)系統(tǒng)，我們給出不同類型拓?fù)浼軜?gòu)下的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的具體含義。
在I型MPU(N1×N1×L×NK)中，每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x1，x2，...，xK)代表一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)及其本地網(wǎng)絡(luò)路由單元，如果其坐標(biāo)滿足0≤xi≤2Ni-1i∈[1，K](1)xjmod2＝xj+1mod 2j∈[1，K)(2)其中，mod代表取模運(yùn)算，下同。
在II型MPU(N1×N1×L×NK)中，每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x1，x2，...，xK)代表一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，如果其坐標(biāo)滿足0≤xi≤2Ni-1(3)ximod 2＝0 i∈[1，K] (4)每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x1，x2，...，xK)代表一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，如果其坐標(biāo)滿足0≤xi≤2Ni-1(5)ximod 2＝1 i∈[1，K] (6)基于以上的坐標(biāo)系統(tǒng)，K維MPU(N1×N1×L×NK)系統(tǒng)的拓?fù)溥B接法則如下每個(gè)節(jié)點(diǎn)(x1，x2，...，xK)直接互連到其2K個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)(y1，y2，...，yK)，它們的坐標(biāo)滿足yi＝(xi+1)mod2Ni或者yi＝(xi-1+2Ni)mod2Nii∈[1，K](7)因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)度(即直接互連的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù))為2K，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)位于2K個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)組成的K維立方體的體心。
在圖1中，我們給出了一個(gè)2維MPU(N×N)系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。如果采取直接交換網(wǎng)絡(luò)連接方式，圖中的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)均代表一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)。如果采取間接交換網(wǎng)絡(luò)連接方式，圖中的每個(gè)奇數(shù)坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)代表一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，圖中的每個(gè)偶數(shù)坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)代表一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)。
圖2是一個(gè)基于直接連接網(wǎng)絡(luò)、2維I型MPU(4×4)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例圖。在圖2中，每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，具有一個(gè)或多個(gè)處理單元，及本地的網(wǎng)絡(luò)路由單元，用來和4個(gè)相鄰處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在I型MPU(4×4)系統(tǒng)中，總共有32個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，即32個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都位于一個(gè)由4個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)組成的正方形中心。在所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邊界處的節(jié)點(diǎn)，位于4個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)所組成的一個(gè)虛擬正方形的中心，并同時(shí)與上述4個(gè)節(jié)點(diǎn)互連。例如圖中的處理器A1，位于相鄰的節(jié)點(diǎn)A5和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)A2、A3、A4所組成的一個(gè)虛擬正方形的中心。
圖3是一個(gè)基于間接連接網(wǎng)絡(luò)、2維II型MPU(4×4)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例圖。在II型MPU(4×4)系統(tǒng)中，總共有16個(gè)處理節(jié)點(diǎn)和16個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，即32個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可以完成信息的輸入、輸出及轉(zhuǎn)發(fā)功能。不相鄰的節(jié)點(diǎn)間消息通信，由若干中間節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都位于一個(gè)由4個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)組成的正方形中心。在所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邊界處的節(jié)點(diǎn)，位于4個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)所組成的一個(gè)虛擬正方形的中心，并同時(shí)與上述4個(gè)節(jié)點(diǎn)相連。例如圖中的處理器A0，位于相鄰的節(jié)點(diǎn)B4和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)B1、B2、B3所組成的一個(gè)虛擬正方形的中心。
依據(jù)上述的拓?fù)溥B接法則，我們就可以把多處理器和輔助設(shè)備整合為一并行計(jì)算系統(tǒng)。為了進(jìn)一步說明和證實(shí)MPU系統(tǒng)架構(gòu)的主要特征，我們將就一類流行的系統(tǒng)-N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(3D Torus是其中的一個(gè)特例)—進(jìn)行系統(tǒng)性比較。特別地，我們將就2維和3維MPU系統(tǒng)與N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)特例，即三維環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)(3D Torus Network)進(jìn)行具體的比較。Cray T3E和“藍(lán)基因計(jì)劃”就是采用的這種三維環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算節(jié)點(diǎn)間的高帶寬低延遲互連的，以在非常小的空間中，達(dá)到空前的綜合運(yùn)算及擴(kuò)展性能。
另外，為了比較方便，對(duì)于MPU系統(tǒng)，我們?nèi)1＝N2＝…＝NK＝N。所以，K維MPU系統(tǒng)，可記為MPU(NK)。
我們首先介紹用于比較的各種性能參數(shù)。
節(jié)點(diǎn)度每個(gè)節(jié)點(diǎn)的直接互連的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
網(wǎng)絡(luò)直徑網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大距離。單位是“跳”，即hop，一跳是指相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。
節(jié)點(diǎn)間平均距離網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他任意節(jié)點(diǎn)的平均距離。單位是hop。
等分寬度當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分為相等節(jié)點(diǎn)集時(shí)所需要切斷的最少連線的數(shù)目。
等分帶寬上述被切斷的連線上的總帶寬。
連線數(shù)目網(wǎng)絡(luò)中，連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)(處理節(jié)點(diǎn)和通信節(jié)點(diǎn))的連線數(shù)目。
下面的表1列出了各項(xiàng)性能參數(shù)的具體比較。
表I上面的計(jì)算假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)總共有P條信號(hào)引腳用于和相鄰節(jié)點(diǎn)通信，不包括電源、地線和其他的一些I/O引腳。下表中，符號(hào)P的含義與此相同。
從表I中，我們可以看出以下幾點(diǎn)1、隨著網(wǎng)絡(luò)維數(shù)的增加，MPU系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)直徑是固定不變的，但是N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)是線性增加的，這樣，MPU系統(tǒng)可以有效地減少遠(yuǎn)程通信的距離和延遲。
2、相同網(wǎng)絡(luò)維數(shù)和規(guī)模的情況下，MPU系統(tǒng)所能提供的等分寬度是N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)的2K-1倍。這說明，在相同條件下，MPU系統(tǒng)能為節(jié)點(diǎn)間通信，提供更多的備選鏈路。這一方面，增加了路由系統(tǒng)的靈活性和找到節(jié)點(diǎn)間消息通信的一條最優(yōu)路徑的概率，從而可以有效降低節(jié)點(diǎn)間通信的延遲。另一方面，這些冗余鏈路的存在，也大大加強(qiáng)了整個(gè)并行計(jì)算系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)小范圍的故障部件的時(shí)候，可以大大降低對(duì)于整個(gè)路由系統(tǒng)的效率影響；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍的故障部件的時(shí)候，可以最大可能地保障正常節(jié)點(diǎn)間的消息通信，直到故障排除。對(duì)于故障部件的容錯(cuò)能力，也是大規(guī)模系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要保證之一。
3、在相同網(wǎng)絡(luò)維數(shù)和規(guī)模的情況下，MPU系統(tǒng)的等分帶寬是N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)的K倍。這說明，在相同條件下，MPU系統(tǒng)能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的信息傳遞提供更高的帶寬。
4、MPU系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)度的增加是指數(shù)形式的。這一方面說明，隨著網(wǎng)絡(luò)維數(shù)的增加，MPU系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)間的耦合性急劇增加；另一方面也說明，考慮到目前的物理限制，即每個(gè)路由器所能使用的I/O數(shù)，宜于采用合理維度的MPU系統(tǒng)。同樣的物理限制，也存在于N元K立方環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)中，其網(wǎng)絡(luò)維數(shù)的增加也應(yīng)該考慮到物理?xiàng)l件的約束。
5、在II型MPU系統(tǒng)中，我們顯示地增加了與處理節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的通信節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以有效地降低節(jié)點(diǎn)間通信的延遲，并且可以節(jié)省處理節(jié)點(diǎn)在通信上的時(shí)間花費(fèi)。
在圖4中，我們給出了一個(gè)3維II型MPU系統(tǒng)的體心拓?fù)溥B接方式實(shí)施例圖。圖中，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，均處在8個(gè)相鄰處理節(jié)點(diǎn)組成的立方體中心。類似地，在邊界處，相應(yīng)的拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)，與部分的邊界處理節(jié)點(diǎn)共同組成了立方體，使邊界通信節(jié)點(diǎn)位于這些虛擬立方體的體心。
在圖5中，我們展示了一個(gè)3維II型MPU系統(tǒng)的部分連接方式實(shí)施例圖。從中，我們可以看出，每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)均處于相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)組成的立方體體心，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)也均處于相鄰處理節(jié)點(diǎn)組成的立方體體心。并且，所有的處理節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)虛擬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所有的通信節(jié)點(diǎn)也組成了一個(gè)虛擬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。通過體心拓?fù)溥B接方式和拓?fù)溲h(huán)性質(zhì)，兩個(gè)虛擬網(wǎng)格系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了緊密地耦合嵌套。
下面，我們主要針對(duì)2維、3維MPU系統(tǒng)和流行的三維環(huán)繞拓?fù)鋬?nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)比較，從中發(fā)掘MPU系統(tǒng)更多的特點(diǎn)。
表II從表II中，我們可以進(jìn)一步的看出，2維、3維MPU系統(tǒng)比目前流行的三維環(huán)拓?fù)浼軜?gòu)有多重優(yōu)點(diǎn)。相比較來言，除了表I中提到的特點(diǎn)之外，MPU系統(tǒng)1、提供了更多的冗余鏈路，來保證大規(guī)模系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。相同條件下，3維的MPU系統(tǒng)的等分寬度是N元3立方的4倍。
2、提供了更高的等分帶寬，來保證節(jié)點(diǎn)間通信的高帶寬，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。相同條件下，3維的MPU系統(tǒng)的等分帶寬是N元3立方的3倍。
3、在均使用直接網(wǎng)絡(luò)連接的條件下，3維MPU系統(tǒng)能夠容納多于N元3立方環(huán)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)一倍的處理節(jié)點(diǎn)數(shù)，而不破壞整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)稱性，同時(shí)，更重要的是，此時(shí)3維MPU系統(tǒng)和N元3立方環(huán)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間平均距離，是同一量級(jí)的。這說明，雖然處理器數(shù)目增加一倍，但是節(jié)點(diǎn)間平均距離卻幾乎沒有改變。
綜上所述，采用上述互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及應(yīng)用該拓?fù)浼軜?gòu)的并行計(jì)算系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)1、打破了原有的網(wǎng)格式拓?fù)溥B接方法，如3D Torus和超立方網(wǎng)格(Hypercube)，而改用體心拓?fù)溥B接方式，實(shí)現(xiàn)了多重網(wǎng)格系統(tǒng)的緊密嵌套，在不增加系統(tǒng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)度和通信負(fù)載的前提下，大大增加了系統(tǒng)的耦合程度和節(jié)點(diǎn)集成數(shù)量。
2、突破了以往使用直連環(huán)或者斜連環(huán)等來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)繞連接(Wrap-around connections)的傳統(tǒng)作法，而是借助于拓?fù)溲h(huán)性質(zhì)，將部分邊界節(jié)點(diǎn)和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)構(gòu)成虛擬的多維立方體，按照系統(tǒng)內(nèi)部的體心拓?fù)溥B接方式，在這一虛擬多維立方體中進(jìn)行體心互連，來完整閉合系統(tǒng)中的所有連接，同時(shí)巧妙地完成了系統(tǒng)的環(huán)繞連接。這就使得整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一、簡(jiǎn)約，對(duì)稱且完整，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)的角度來看，整個(gè)系統(tǒng)都是完全一致的。
3、MPU系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)直徑和節(jié)點(diǎn)間平均距離，隨系統(tǒng)規(guī)模的增長(zhǎng)而緩慢增加，為此系統(tǒng)提供高耦合性。
4、MPU系統(tǒng)的等分寬度和等分帶寬大，隨系統(tǒng)規(guī)模的增長(zhǎng)快。
5、MPU系統(tǒng)特有的多重網(wǎng)格系統(tǒng)的嵌套、體心拓?fù)溥B接方式和拓?fù)溲h(huán)性質(zhì)，保證了基于此互連拓?fù)浼軜?gòu)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高的擴(kuò)展能力。
本發(fā)明中的處理節(jié)點(diǎn)可選為一個(gè)可編程的計(jì)算機(jī)，具有自己的一個(gè)或者多個(gè)處理元件、本地存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)路由單元、以及其他的一些支持設(shè)備，主要用于完成數(shù)據(jù)信息處理和計(jì)算功能。所述的處理元件都包括中央處理器(CPU)和一個(gè)或多個(gè)浮點(diǎn)單元，以及本地嵌入的多級(jí)高速緩存器。所述的網(wǎng)絡(luò)路由單元，負(fù)責(zé)與相鄰處理節(jié)點(diǎn)或者通信節(jié)點(diǎn)直接互連，用于完成處理節(jié)點(diǎn)間信息的輸入、輸出和轉(zhuǎn)發(fā)功能。所述路由單元既可用通用的處理器，也可用定制的元件，如FPGA。所述的通信節(jié)點(diǎn)，既可是專門元件完成的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，也可是共享存儲(chǔ)模塊(Shared memory)，甚至是共享緩存，等等。
前面提供了實(shí)施例的描述，以使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可方便使用本發(fā)明。對(duì)該實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明原理的基礎(chǔ)上，可以作出各種無實(shí)質(zhì)差別的修改或者變換。本發(fā)明不僅能夠應(yīng)用于并行計(jì)算機(jī)的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且可以應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)核心路由器的內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以及任何的有關(guān)于交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)之中。應(yīng)當(dāng)指出，所有這些修改或者變換都不可能脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，用于主處理器單元互連網(wǎng)絡(luò)中，包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)；其特征在于，該拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)可與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，其特征在于，在所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邊界處的節(jié)點(diǎn)，位于2K個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)所組成的一個(gè)虛擬K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)節(jié)點(diǎn)互連。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，其特征在于，所述的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，既可以是一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，其特征在于，所述的處理節(jié)點(diǎn)是一通用的或者一定制的可編程計(jì)算機(jī)，具有自己的一個(gè)或者多個(gè)處理元件和網(wǎng)絡(luò)路由單元、以及支持設(shè)備。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，其特征在于，所述的處理元件都包括中央處理器(CPU)和一個(gè)或多個(gè)浮點(diǎn)處理單元，以及本地嵌入的多級(jí)高速緩存器，用于完成數(shù)據(jù)信息處理和計(jì)算功能；所述的網(wǎng)絡(luò)路由單元，負(fù)責(zé)與相鄰處理節(jié)點(diǎn)或者通信節(jié)點(diǎn)直接互連，用于完成處理節(jié)點(diǎn)間信息的輸入、輸出和轉(zhuǎn)發(fā)功能。
6.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)外連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，其特征在于，所述的通信節(jié)點(diǎn)，與若干相鄰的處理節(jié)點(diǎn)直接互連，負(fù)責(zé)完成處理節(jié)點(diǎn)間的消息轉(zhuǎn)發(fā)功能；所述的通信節(jié)點(diǎn)，是專門元件完成的網(wǎng)絡(luò)路由交換機(jī)或者共享存儲(chǔ)模塊(Shared memory)或者共享緩存。
8.一種并行計(jì)算系統(tǒng)，包括N個(gè)處理節(jié)點(diǎn)、N個(gè)通信節(jié)點(diǎn)和互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)；其特征是所述互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；其中的每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連；其中的每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰處理節(jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)相連。
9.如權(quán)利要求8所述的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征是在所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邊界處的節(jié)點(diǎn)，位于2K個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)所組成的一個(gè)虛擬K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)節(jié)點(diǎn)互連。
10.一種并行計(jì)算系統(tǒng)，包括N個(gè)處理節(jié)點(diǎn)和互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)；其特征是每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)中集成有本地網(wǎng)絡(luò)路由單元，提供與其他處理節(jié)點(diǎn)直接互連的功能；所述互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)，均位于2K個(gè)相鄰處理節(jié)點(diǎn)所組成的K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)互連。
11.如權(quán)利要求10所述的并行計(jì)算系統(tǒng)，其特征是在所述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)邊界處的節(jié)點(diǎn)，位于2K個(gè)相鄰的節(jié)點(diǎn)和拓?fù)溲h(huán)映射節(jié)點(diǎn)所組成的一個(gè)虛擬K維立方體的體心，并同時(shí)與上述2K個(gè)節(jié)點(diǎn)互連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)及應(yīng)用該架構(gòu)而組成的高擴(kuò)展并行計(jì)算系統(tǒng)。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，用于主處理器單元(MPU)互連網(wǎng)絡(luò)中，包括多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)；該拓?fù)浼軜?gòu)為一種K維(K∈Z
文檔編號(hào)H04L12/66GK1921437SQ20061002975
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月4日
發(fā)明者鄧越凡, 張鵬 申請(qǐng)人:上海紅神信息技術(shù)有限公司