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高性能计算机光互连网络技术研究

作　者: 骆胜阳
导　师: 窦文华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 高性能计算光互连网络光学背板波分复用光功率等分器
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着高性能计算机系统对处理速率和链路带宽的需求不断提升,传统的电互连网络的带宽、时延、串扰、功耗等问题日益严重,已经成为高性能计算机的内部互连网络性能提高的瓶颈。与电互连相比,新兴的光互连技术具有带宽高、抗干扰能力强、互连密度大和功耗低等诸多优势,有望解决高性能计算系统中普遍存在的通信瓶颈问题。因而,研究高性能计算机的光互连网络及相关技术是高性能计算机系统互连网络技术发展的必然趋势,具有重大意义。本文以提升高性能计算机系统的内部互连网络整体性能为最终目标,在深入分析了当前高速发展的光互连技术、光电子技术及波分复用(WDM)技术的基础上,深入研究了高性能计算机光互连网络体系结构技术,面向高性能计算机互连网络应用的光学背板技术和光互连中关键光学器件的设计技术,全方位的探索了光互连网络技术的各个层面。本文首先介绍了光互连技术的发展历史以及高性能计算机光互连的研究现状,综述了现有光学背板技术,提出高性能计算机光互连网络需求,指出该技术的发展趋势。在此基础上,提出了一种层次式动态可重构的高性能计算机光互连网络系统。该网络以组合WDM光网络方式支持处理器间通信和远程文件访问,采用基于预约和预分配的混合介质访问控制协议以支持基于光互连背板的全光互连网络通信,并可根据负载状况的变化动态地调整系统的带宽分配,使得该系统具有极高的应用价值。光学背板是支撑光互连体系结构的硬件基础和平台,本文提出了一种综合采用WDM技术和光纤互连技术的光学背板技术。在高性能计算机光互连网络环境下,该技术可以快速高效地支持局部处理元素间的通信以及全局聚合通信,并具备足够的弹性和可扩展性,可满足不同的链路速率和系统规模的互连需求。光学器件技术决定了光互连方案的可实现性、成本和性能。本文最后研究了光互连应用的关键器件-光功率等分器。在深入分析各种光功率等分器技术之后,我们选择多模干涉光功率等分器为突破点进行研究,分析并模拟了分束器的各个参数对其性能的影响,得出了分束器性能与多模干涉波导长度、波导与覆层折射率差等因素之间的关系。最后,本文设计并实现了一种高带宽、可扩展的单波长光电混合互连背板系统。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景和意义  13-15
  1.2 光互连的分类及关键器件  15-17
    1.2.1 自由空间光互连  15
    1.2.2 波导光互连  15-16
    1.2.3 光互连的关键器件  16-17
  1.3 高性能计算机光互连的研究现状  17-19
    1.3.1 国外研究现状  17-19
    1.3.2 国内研究现状  19
  1.4 WDM 光互连网络简介  19-22
    1.4.1 WDM 技术及其优势  19-21
    1.4.2 WDM 光网络  21-22
  1.5 论文结构  22-23
第二章高性能计算机光互连的需求  23-35
  2.1 高性能计算机光互连网络的需求  23-26
    2.1.1 电互连网络的发展限制  23-24
    2.1.2 高性能计算机光互连网络的需求  24-25
    2.1.3 关键技术  25-26
  2.2 高性能计算机光学背板技术  26-34
    2.2.1 电学背板与光学背板  27-28
    2.2.2 光学背板技术概述  28-31
    2.2.3 关键技术  31-34
  2.3 小结  34-35
第三章基于波长分离器的高性能计算机光互连网络技术研究  35-53
  3.1 基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系结构  35-40
    3.1.1 胖树结构  35-36
    3.1.2 光互连网络体系结构  36-39
    3.1.3 处理器间通信  39-40
  3.2 Hybrid MAC 协议研究  40-42
  3.3 系统动态重构机制研究  42-50
    3.3.1 两种配置模式下的信道分配  42-44
    3.3.2 负载监测  44-45
    3.3.3 重构算法  45-48
    3.3.4 系统重构机制  48-50
  3.4 性能分析  50-52
  3.5 小结  52-53
第四章 WDM 光互连背板技术研究  53-71
  4.1 背板关键技术分析  53-54
  4.2 背板体系结构  54-60
    4.2.1 背板逻辑结构  55-57
    4.2.2 背板整体结构  57-60
  4.3 WOB 单播与广播机制  60-65
    4.3.1 板内单播与广播  61-62
    4.3.2 板间单播与广播  62-65
  4.4 WOB 组播机制  65-68
    4.4.1 板内组播机制  65-67
    4.4.2 板间组播机制  67-68
  4.5 WOB 性能分析  68-70
  4.6 小结  70-71
第五章光功率等分器技术研究  71-81
  5.1 光功率等分器的研究意义及现状  71-72
  5.2 多模干涉功率等分器的光学原理  72-76
    5.2.1 多模干涉基本原理  72-74
    5.2.2 导模传输分析方法  74-76
  5.3 软件模拟及结果分析  76-80
    5.3.1 多模干涉光分束器参数的确定  76-77
    5.3.2 二维850 nm 1×8 MMI splitter 的模拟  77-78
    5.3.3 850nm 1×4 MMI splitter 的模拟及参数分析  78-80
  5.4 小结  80-81
第六章单波长光电混合背板系统的设计与实现  81-90
  6.1 系统总体设计  81-83
  6.2 多通道高密度高速光收发器  83-84
  6.3 电处理模块设计  84-87
  6.4 光器件背板设计  87-89
  6.5 小结  89-90
第七章结束语  90-91
  7.1 研究工作总结  90
  7.2 后续工作  90-91
致谢  91-92
作者在攻读硕士学位期间发表的论文  92-93
作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目  93-94
参考文献  94-97

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