大規(guī)模并行計算機光互連網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、目前，以高性能計算機為基礎(chǔ)的計算科學已經(jīng)成為繼理論科學和實驗科學之后人類科學研究的第三大支柱，高性能計算機的影響也已經(jīng)拓展到經(jīng)濟、公共安全和國家安全。在高性能計算機的發(fā)展中，超大規(guī)模并行處理已成為必然趨勢。
　　在大規(guī)模并行計算機中，隨著處理器規(guī)模的不斷增大，以及單個處理器性能的不斷提升，多處理器之間經(jīng)過互連網(wǎng)絡(luò)進行通信的開銷也隨之大大增加。但是，傳統(tǒng)電互連由于自身固有缺陷，包括帶寬限制、阻抗不連續(xù)、時鐘歪斜、電磁干擾（EMI）現(xiàn)

2、象嚴重、功耗高、互連密度受限等，無法滿足大規(guī)模并行計算機對互連網(wǎng)絡(luò)的需求，成為阻礙系統(tǒng)總體性能提高的瓶頸之一。
　　光互連因其自身特點，包括極高的傳輸帶寬、極低的傳輸時延、極高的并行性、極低的功耗、通道等程、優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓撲特性等，成為大規(guī)模并行計算機互連網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點。本文對大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)中的光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要是光互連網(wǎng)絡(luò)模型，包括模型的構(gòu)造理論、故障診斷方法、最優(yōu)重構(gòu)問題等，進行了研究。本文的主要貢獻如下：
　　

3、①分析了傳統(tǒng)圖論在光互連網(wǎng)絡(luò)研究中的局限性，得出了結(jié)論：由于每條邊只能關(guān)聯(lián)到兩個結(jié)點，傳統(tǒng)的圖無法準確反映光互連網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特性，基于傳統(tǒng)圖論的研究方法不能充分發(fā)掘光互連技術(shù)的潛在優(yōu)勢?；谝陨显?，給出了一種光互連網(wǎng)絡(luò)建模方法──基于超圖理論的方法，并分析了超圖理論應(yīng)用在光互連網(wǎng)絡(luò)模型研究中的優(yōu)越性。
　　②目前，光互連器件的研究已經(jīng)取得了大量的成果，但與之對應(yīng)的是，光互連網(wǎng)絡(luò)模型的研究還較少，并且大多數(shù)集中在新網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)造及分

4、析，尚未涉及光互連背景下的故障診斷問題。因此，本文對光互連并行系統(tǒng)的故障診斷問題進行了探索性的研究，給出了超圖模型下系統(tǒng)級故障診斷問題的相關(guān)規(guī)范及定義，從而使光互連并行系統(tǒng)的故障診斷可以直接借鑒傳統(tǒng)圖模型下系統(tǒng)級故障診斷的研究成果。
　?、蹖σ活惖湫偷墓饣ミB系統(tǒng)─— Hypermesh的故障診斷問題進行了研究。證明了HMn,k光互連系統(tǒng)的一步診斷度為n(k-1)。通過將 HMn,k分解為k<'n-cn>個互不相交的、同構(gòu)于HMcn

5、,k的導出子圖，{HMn,k[Vx]:x∈{k-1,…,0}n-cn}，得到了HMn,k的一個圈分解 CD(HC)，其中cn=[log k(nk-1+1]?；谶@種圈分解技術(shù)，給出了一個時間復雜度為O(knn(k-1))的一步t-故障診斷算法，證明了該算法的正確性，分析了該算法的復雜度。
　　④對一類通道可再分的智能光背板的重構(gòu)問題進行了分析。通過特定條件的限定，將其中一個最優(yōu)重構(gòu)問題歸結(jié)為經(jīng)典的NP難問題──最優(yōu)線性排列（OLA

6、）問題。DNA計算有望被用于求解這類 NP-難問題?；谝环N DNA計算模型：Adleman-Lipton-sticker模型，給出了一個用于解OLA問題的DNA算法。對于n個結(jié)點、m條邊的無向簡單圖G，該算法的初始解空間大小為2nK，存儲鏈由nK+n+m+L+1個位區(qū)組成，需要2n個試管，并通過O(n3log2 n)次試管操作完成，其中，K=[log2n],L=[log2 (nm)]。當分子生物技術(shù)的進步足以保證DNA計算可行時，該算

7、法就能有效地用于解決中等規(guī)模OLA問題，那時就可以通過預先編程的方式，將該算法得到的解用于控制智能光背板的重構(gòu)，使互連網(wǎng)絡(luò)資源的配置達到最優(yōu)化。
　　許多研究已經(jīng)證明，光互連具有電互連無法比擬的優(yōu)越性。但是，光互連要實際應(yīng)用到大規(guī)模并行計算機中，還需要解決許多問題。本文只是在這方面進行了一些初步嘗試，對于一些值得進一步研究的光互連網(wǎng)絡(luò)模型問題，作者也在論文中進行了說明。
　　可以預見，隨著光電子和集成光學器件的發(fā)展，以及光互