High-radix combined switchesformalization and configuration methodology

Resumo

Las redes de interconexión son un componente clave para una amplia gama de sistemas multiprocesador, que va desde los grandes supercomputadores hasta los chips de varios núcleos. Resulta esencial disponer de redes de altas prestaciones en estos sistemas, donde es crítico conseguir una alta fiabilidad en las comunicaciones, altas tasas de transferencia de información y latencias muy bajas. El diseño de la red de interconexión está determinado por la tecnología disponible en cada momento, de tal forma que nuevos avances suelen mejorar sustancialmente el rendimiento de los componentes básicos de la red: enlaces y conmutadores. Estos últimos son responsables de buena parte del nivel de prestaciones de la red de interconexión y, por tanto, son objeto de investigación. Uno de los principales parámetros que caracterizan los conmutadores de red es el número de puertos o grado del conmutador, que tiene una fuerte influencia en el consumo de energía, en el coste, y en el rendimiento de todo el sistema. El uso de conmutadores con un número de puertos alto (conmutadores high-radix) puede reducir el coste de la red de interconexión, su consumo de energía y, además, mejorar el rendimiento. El número máximo de puertos en un conmutador de un solo chip se establece teniendo en cuenta principalmente parámetros físicos, como la escala de integración actual y el número máximo de pines que un único chip puede tener. Una alternativa para ir más allá de los límites de la escala de integración consiste en la construcción de conmutadores high-radix mediante la combinación de varios conmutadores de menor grado (conmutadores combinados high-radix). Esta estrategia hace posible ir por delante de la tecnología de integración y reducir dramáticamente el tiempo de lanzamiento al mercado (time-to-market). Además, seguirá siendo válida conforme la tecnología de integración continúe evolucionando. Hay dos retos importantes en el diseño de conmutadores combinados high-radix: obtener la configuración adecuada entre los conmutadores internos, y determinar el ancho de banda suficiente para interconectar dichos conmutadores internos. Ambos desafíos se abordan en esta tesis. En un conmutador interno, la conexión entre dos de sus puertos externos puede requerir el uso de varios de sus conmutadores internos, aumentando así la latencia sufrida por los mensajes que pasan a través del conmutador combinado. El primer reto consiste en determinar el patrón de conexión entre los puertos de los conmutadores internos y los puertos ofrecidos por el conmutador combinado hacia el exterior de tal forma que se minimice el número de conexiones que requieran utilizar más de un conmutador interno. En cuanto al segundo reto, si el número de conexiones que utilizan los enlaces internos supera el ancho de banda agregado de éstos, esos enlaces internos podrán convertirse en un cuello de botella. Por lo tanto, determinar el número de enlaces internos (es decir, ancho de banda agregado) más adecuado, sin sobredimensionar el número de éstos, se hace necesario para evitar la aparición de dicho cuello de botella, el cual podría producir una degradación en el rendimiento de la comunicación con el exterior del conmutador combinado. La contribución más notable de esta tesis es el desarrollo de una nueva metodología para la obtención de las configuraciones óptimas de los conmutadores combinados. La viabilidad y el potencial de esta alternativa para la obtención de conmutadores high-radix se evalúan teniendo en cuenta aspectos como el rendimiento y el coste de la red. Dicha evaluación ha sido realizada considerando dichos aspectos tanto para las redes construidas mediante conmutadores tradicionales como para las redes que emplean conmutadores combinados. En particular, la evaluación considera las configuraciones óptimas y otras que no lo son para los conmutadores combinados. Además, también se evalúan a efectos comparativos redes con el mismo número de nodos pero formadas con conmutadores de diferente grado.