[发明专利]基于MPU架构的超高扩展超级计算系统

说明书

技术领域

本发明涉及高性能计算系统与多处理器系统架构，具体地说，涉及基于MPU架构的超高扩展超级计算系统。

背景技术

随着单处理器性能的不断提升，在高可用、高密度、高扩展超级计算系统的设计实施领域内，互连通信子系统的设计逐渐成为了全系统设计的瓶颈，使得互连通信子系统的性能远远不及处理性能的提升。为了更好地优化大规模并行处理系统中的计算能力与通信能力的平衡设计，同时保持良好的可编程性与应用可移植性，越来越多的高级互连网络架构被引入系统设计之中，其中具有代表性的系统设计有：IBM公司的BlueGene系列和Cray公司的RedStorm系列均采用了三维环绕网络系统；Columbia大学的QCDOC系统采用了精简的六维环绕网络系统。上述组织自行研制具有自主知识产权的多维网格互连系统，使其建造的超级计算系统具有更高的计算密度，并且较传统集群式系统，如基于胖树架构的Infiniband或Myrinet级联交换机，取得了更优的应用性能。而且，对Myrinet和Infiniband互连架构系统的观测显示：单链路上不断的数据传输错误会增加链接恢复与数据重传的时间开销，从而降低了互连网络的通信性能，系统规模增大时，这一问题变得更为突出。然而，多维网络架构互连系统设计通过在背板上提供大量稳定的数据通信连接很好地克服了这一缺陷，同时将若干揽线集束在一个插槽中进一步增加数据连接的稳定性，从而大大地增强数据连接在物理层上的健壮性。

进一步地，由于取消了大量单独交换机组成的外部级联交换矩阵，多维网格架构超级计算系统可以更加灵活地扩展。然后，同等规模具有数千节点的集群式系统需要数十台交换机来提供节点间的连接，节点间的网线连接物理距离将达到数十米，这一情形将造成系统维护上的困境，并增高维护费用。另外，集群式系统的容错性能主要是用来为大规模实际应用提供稳定持续的计算资源，这一性能的保证往往是要部署更多的冗余交换机，这会进一步增加外联交换矩阵的复杂性。然而，新型的多维网格架构超级计算机，如IBM公司的BlueGene，则是采用动态容错性路由机制，通过分离故障区域的方式，优化利用已有可利用数据链路来动态地规避故障节点，而不需要硬件系统过多的冗余配置。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种基于MPU架构的超高扩展超级计算系统，旨在以较低的成本、功耗与占地面积，来提供持续稳定的百万亿次、千万亿次及以上规模的高性能计算能力。

本发明的第二个目的是提供一种计算能力与通信能力相平衡的超级计算系统，该系统采用新型的多维MPU互连网络架构。上述MPU互连网络架构用来建设具有高可用带宽、低网络半径、低网络延迟、超高可扩展性的互连网络系统。

本发明的第三个目的是提供一种可自由扩展并具有良好兼容性的超级计算系统。该系统采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA，Field-programmable GateArray)芯片实现进程间消息通信功能，从而组成全系统的路由通信网络，简称FIN(FPGA-based Inter-process communication Network)。FIN的采用一方面保证了系统对已有成熟处理器平台的兼容性，另一方面使我们也可以更专注于核心互连网络系统元件的研发，从而在很大的程度上保持了系统性能与先进处理器效能的同步提升，同时也保证了系统对用户应用加速模块如向量处理器具有良好的兼容性。另外，作为路由交换元件的FPGA芯片也可以是其它可重构系统芯片，或者是特定用途集成电路(ASIC)来实现系统互连网络构建。当规模生产出现时，路由交换元件与包括多级高速缓冲存储器和高速连接控制器在内的中央处理子系统可全部集成于同一芯片，实现系统级芯片(SoC，System-on-a-Chip)设计。

FIN设计理念进一步使设计者、开发者以及最终用户可以更加灵活地改进消息路由功能，以提升应用程序的并行性能。比如说，对于某一特定的应用，我们可以在可重构芯片中有针对地实现其特定的消息通信模式，来更好地加速程序运行。同时，在不改变其它功能模块的配置与设计的情况下，可重构芯片还可负担一部分CPU的计算负载。而且，在实现MPI的并行系统中，我们也可将常用消息通信子程序和一些聚合消息通信在路由芯片上加以实现和优化，来有效地减少系统的消息通信延迟，更充分地发掘MPU架构系统的特性。