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基于Dijkstra算法自适应路由的片上光网络研究

郑岩莉  
【摘要】:计算机行业一直在逐步增加单个处理器芯片的核数,通过并行计算来获取高性能。随着互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor,CMOS)片上技术的不断改进和集成,核上处理芯片的数目在急剧增加,成百上千个核将集成在一个芯片上,多核处理器以高性能的优势发展成为一个极具吸引力的平台。但是,随着芯片上核的增加,处理器的数据速率将很快达到数十GHz,这意味着对带宽的需求不断增大。传统的芯片上电互连网络使用电信号来传输信息、带宽小、能量消耗大,芯片上电互连网络仅能够满足当今应用程序的通信需求。但是随着应用程序的核数和内存需求的扩大,芯片上电互连网络的性能扩展就无法实现与等效的通信改进需求相匹配。芯片上光互连(Optical networks-on-chip,ONoCs)不仅能够满足未来系统的带宽要求,而且具有时延低、功耗小等优点,所以芯片上光互连正日益成为解决当今电子芯片级互连网络所面临问题的一个更有吸引力的解决方案。在基于片上光网络的多核架构中,光路由器是片上光网络通信系统的重要组成部分。它由基本的光开关元件、波导交叉和光终端组成。光路由器内部的交换元件、波导交叉和传输波导都会造成传输损耗。然而,较大的传输损耗会导致更多的功耗,大大限制了ONoCs的扩展。常见的片上光网络架构分为三种,分别是Mesh拓扑、Torus拓扑和Fattree拓扑。在常应用的Mesh拓扑中,我们采用X-Y维序路由协议,能够实现网络中并发通信,但不能保证每条链路的传输损耗达到最小,而且链路的传输损耗会随着网络规模的扩大而逐渐增大,整个网络功耗增大并且网络性能也会降低。传统的功率分配控制为了保证链路通信的正常进行,会根据所有链路传输损耗最大的去给其他链路分配功率,这样会造成其他剩余链路的功率分配产生大量的冗余。本文提出了一种基于Dijkstra算法的新型自适应路由,可实现Mesh拓扑中最小传输损耗路由路径的选择,实现网络中链路传输损耗最小,在保证接收机灵敏度不变的前提下,功率控制可得到优化。此外,与传统的功率控制和自适应功率控制相比较,该路由算法在降低链路传输损耗和优化网络功率的前提下,时延和吞吐量这些网络性能并未有较大的降低,这也验证了基于Dijkstra算法的新型自适应路由的可行性。本文的主要内容如下:(1)阐述了ONoCs基础理论,提出了光学波导的损耗模型和基于SOI的微环谐振器的耦合理论模型,分析了基本光交换单元不同端口的输出功率。(2)分析了传统功率控制模型,自适应功率控制模型,建立了基于Dijkstra算法自适应路由所实现的优化功率控制模型。(3)分别建立路由器级和网络级的功率损耗的数学分析模型,提出Mesh架构片上光网络基于Dijkstra算法实现自适应路由的设计及实现方案,另外介绍了光电路由交换机制的实现原理。(4)最后,利用Matlab数值仿真软件得出,基于Dijkstra算法实现自适应路由相较于传统维序路由的链路传输损耗更小,基于Dijkstra算法的自适应路由所实现的优化功率控制相比于传统功率和自适应功率控制在降低网络功耗上有更大优势。基于OPNET仿真平台,在Mesh架构片上光网络下,比较了维序路由和基于Dijkstra算法的自适应路由在不同网络规模下的端到端延时(end-to-end delay,ETE delay)和网络吞吐量,结果显示基于Dijkstra算法的自适应路由在延时和吞吐量方面与传统维序路由相比并无明显的下降趋势。这也验证了基于Dijkstra算法的自适应路由在物理性能上能够实现降低链路传输损耗,而且优化功率控制在降低网络功耗不以牺牲网络性能为代价。


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