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スイッチと MIN

スイッチと MIN. コンピュータアーキテクチャ特論 テキスト９２ページ～１３ 0 ページ. バス結合型の問題点. メモリへのパスが単一. 一度に１つのプロセッサしかアクセスできない. 接続可能なプロセッサ数は最近の情勢では４. スイッチ結合型 UMA. ．．．．. Local Memory. CPU. Interface. Switch. … ．. Main Memory. Local Memory は持たない場合もある. スイッチ結合型 UMA. ．．．．. CPU. Interface. Switch. … ．. Main Memory.

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スイッチと MIN

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Presentation Transcript

  1. スイッチとMIN コンピュータアーキテクチャ特論 テキスト９２ページ～１３0ページ

  2. バス結合型の問題点 • メモリへのパスが単一 一度に１つのプロセッサしかアクセスできない 接続可能なプロセッサ数は最近の情勢では４

  3. スイッチ結合型UMA ．．．． LocalMemory CPU Interface Switch …． MainMemory LocalMemoryは持たない場合もある

  4. スイッチ結合型UMA ．．．． CPU Interface Switch …． MainMemory CPUに直結しているMainMemoryをHome Memoryと呼ぶ場合がある

  5. スイッチ結合型UMAの特徴 • 複数のメモリモジュールが同時にアクセス可能 • 行列のアクセス等科学技術計算に向いている • キャッシュのコンシステンシィを取ることが難しい

  6. クロスバスイッチ 交点がスイッチ ｎ スイッチ数 （クロスポイント数）が ｎｘｍ ｍ

  7. ノンブロッキング性 行き先が異なれば 衝突しない ｎ ｍ

  8. X クロスバのハードウェア 量はクロスポイント数 だけでは決まらない 出線競合 各バスにはアービタが必要 ｎ 入力にはバッファも 必要 ｍ

  9. クロスバの利点欠点 • ノンブロッキング性 • 単純な構造、制御 • ハードウェア量が大きすぎるというのはある意味では嘘 • １チップで閉じる性質があり、チップのピン数ネックとなり、拡張が困難

  10. MIN（MultistageInterconnectionNetwork)多段接続網 • 小規模なクロスバを多段に接続することにより、大規模なスイッチを構成 • 等距離間接網に属する • クロスポイント数はクロスバより有利 • バンド幅、レイテンシィともに不利になる

  11. 分類 • ブロッキング網：あて先が違っても衝突する：ＮｌｏｇＮタイプ、π網他 • リアレンジブル網：衝突なしにスケジュールすることができる：Benes網、Clos網（構成による） • ノンブロッキング網：衝突なしが保証される：Clos網、Batcher-Banyan網

  12. MINの性質 • ランダム転送における通過率 • 並び替え（ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎ）能力 • ブロック化能力（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ） • 耐故障性（ｆａｕｌｔ　ｔｏｒｅｌａｎｃｅ） • 制御法

  13. ブロッキング網 • NlogN網 • Omega網 • GeneralizedCube網 • Baseline網 • ランダム転送における通過率はまったく同じ • π網

  14. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Omega網 • スイッチングエレメント（この場合２ｘ２のクロスバ）数は、１／２NｘLogN

  15. ０００ ０１０ １００ １１０ ００１ ０１１ １０１ １１１ PerfectShuffle • １ビット左にローテーションする ０００ ００１ ０１０ ０１１ １００ １０１ １１０ １１１ InverseShuffle 右ローテーション

  16. 000 000 001 001 010 010 011 011 ０ 100 100 １ 101 101 １ 110 110 111 111 １ ０ １ DestinationRouting 1→３ あて先の番号を上の桁からチェック ０ならば上、１ならば下に進む ５→６

  17. ０→０ ４→２ 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Blocking X • 行き先が違っていても同一リンクを使う

  18. ００ ００ ０１ ０１ ２ １０ １０ １１ １１ ２０ ２０ １ ２１ ２１ ３０ ３０ ３１ ３１ Omega網の一般化（Delta網） 接続も同様のシャッフル ０ １ ２ ３ • スイッチングエレメントはサイズの大きいクロスバを利用するのが有利 ０ １ ２ ３

  19. Omega網の特徴 • 結線パタンが全て同じ • ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ　ｒｏｕｔｉｎｇが可能 • 有用なｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎが多い • ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ，拡張性はダメ

  20. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Generalized Cube 000 000 000 100 001 010 100 100 110 101 1bit違ったもの同士を同一スイッチに繋ぐ

  21. 000 000 001 001 010 010 0 011 011 1 0 100 100 101 101 110 110 111 111 Generalized Cubeのルーティング 出発地と目的地のビットを比較(Ex-Or）： 一致(0)：まっすぐ　不一致(1)：クロス方向 001→011 010

  22. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Partitioning 互いに他の交信を妨害しない

  23. ブロック拡張性

  24. GeneralizedCube網の特徴 • ルーティングはｓｏｕｒｃｅとｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎの差を見る • ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ，拡張性に優れる • ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ　ｒｏｕｔｉｎｇはできない

  25. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Baseline網 最初のシャッフルはない 001 001 010 100 逆シャッフルする範囲を狭くしていく

  26. 000 000 001 001 1 010 010 011 011 100 100 1 101 101 0 110 110 111 111 Baseline網のDestinationRouting Omega網同様のDestinationRoutingが可能

  27. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Baseline網のPartitioning

  28. Baseline網 • Omega網とGeneralizedCube網の利点を併せ持つ • DestinationRouting • Partitioning • 拡張性 • NECのCenjuシリーズに用いられている

  29. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 π網 • Omega網を２つ接続

  30. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 ビット逆順並べ替え ０ １ ２ ３ ０ ４ ２ ６ １ ５ ３ ７ • Omega網では衝突が起きる ４ ５ ６ ７

  31. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 ビット逆順並べ替え ０ ５ ２ ７ １ ４ ３ ６ ０ ４ ２ ６ １ ５ ３ ７ 最初の網：上からの入力を優先 次の網：通常のDestinationRouting 衝突しない

  32. 並び替え能力の強化 • すべてのパタンの並び替えが可能＝　　　　リアレンジブル網 • シャッフル接続ではOmega網３段で可能 • シャッフル接続と逆シャッフル接続だと２段で可能：Benes網

  33. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 Ｂｅｎｅｓ網 • 最もハードウェアの少ないリアレンジブル網

  34. ノンブロッキング網 • Ｃｌｏｓ網 • ｍ＞ｎ１＋ｎ２－１でノンブロッキング • ｍ＞＝ｎ２でリアレンジブル • そうでなければブロッキング

  35. Clos網 ｎ１ｘｍ ｒ１ｘｒ２ ｍｘｎ２ ... ... ｒ２ ｍ ｒ１ m=n1+n2-1：ノンブロッキング m=n2：リアレンジブル ｍ＜ｎ２：ブロッキング

  36. Batcher網 ５ ７ ４ ０ １ ２ ６ ３ ０ ４ ５ ７ ６ ３ ２ １ ５ ７ ０ ４ ２ １ ３ ６ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７

  37. ５ ７ ４ ０ １ ２ ６ ３ ０ ４ ５ ７ ６ ３ ２ １ ５ ７ ０ ４ ２ １ ３ ６ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ Batcher－ｂａｎｙａｎ網

  38. Ｂａｔｃｈｅｒ-ｂａｎｙａｎ網の問題点 • 同一あて先のパケットが複数あると衝突が防げない。 • ｂａｎｙａｎ網の拡張等の方法で解決可能

  39. Banyan網 • 出発地と目的地間にパスが１本のみ存在 • 途中ステージ数等は問わない • グラフ理論的アプローチ • SＷ-Banyan，CC-Banyan，BarrelShifter 不規則でもかまわない

  40. 分類 Clos網 Ｎｏｎｂｌｏｃｋｉｎｇ Batcher Banyan網 Banyan Omega網 Benes網 Baseline網 π網 Ｒｅａｒｒａｇｅｂｌｅ GeneralizedCube網 Ｂｌｏｃｋｉｎｇ

  41. 耐故障性を持つ網 • 複数の経路を持たせる。 • 冗長性が必要。 • 実際は制御が困難 • 最近はチップ歩留まりの向上を狙う場合も多い。

  42. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 ExtraStageCube(ESC) • １段余計に接続＋Ｂｙｐａｓｓ Ｘ 故障があれば、もう一つのパスがある

  43. 000 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 バッファの構造 • 混雑した場合は、バッファに溜めておく

  44. 000 001 010 011 100 101 110 111 Ｈｏｔ　ｓｐｏｔ　Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ 混雑 • Ｔｒｅｅ状にバッファが飽和していく(Ｔｒｅｅ　Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）

  45. Hot　Ｓｐｏｔの緩和のために • MessageCombining • 複数のパケットをひとまとめにする • 実装が難しい • 仮想チャネル • NORAのところで詳説 • コンパイラで調節

  46. 本日の課題 • ８入出力のOmega網について、DestinationRoutingが可能なことを証明（説明）せよ

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