[科普中國]-工作站機群

隨著微處理器性能的不斷提高，以微處理器為核心的工作站和臺式個人計算機的性能都可以與并行計算機內(nèi)部的一個處理機的性能相當，集合多臺工作站構(gòu)成工作站集群。

介紹在工作站集群系統(tǒng)中，影響并行計算效率的主要因素是數(shù)據(jù)通信，其中包括通信軟件和硬件互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性能。工作站集群互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)多采用通信卡結(jié)合互聯(lián)交叉開關(guān)構(gòu)成層次式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 數(shù)據(jù)傳輸率的峰值性能能夠達到4.2Gbps (64位66MHz PCI 總線)。隨著對互聯(lián)帶寬需求的提高，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)成為構(gòu)造高效工作站集群的關(guān)鍵之一。

工作站集群中的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計工作站集群系統(tǒng)中的硬件互聯(lián)部分主要包括網(wǎng)絡(luò)接口和交叉開關(guān)部分。網(wǎng)絡(luò)接口是實現(xiàn)數(shù)據(jù)從計算機內(nèi)部與外部交換的硬件部件，由于直接利用商用工作站作為計算平臺，一般都采用插卡式網(wǎng)絡(luò)接口部件，與工作站的外部I/O總線連接。網(wǎng)絡(luò)接口主要完成大量成塊數(shù)據(jù)的DMA直傳任務(wù)，將計算任務(wù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)自動從內(nèi)存取出，成組發(fā)送，或?qū)⒕彌_到達的數(shù)據(jù)，直接寫入內(nèi)存，CPU僅參與數(shù)據(jù)發(fā)送的啟動和接收數(shù)據(jù)的處理。一般包括一塊專用集成電路或微處理器和大容量緩沖存儲器。網(wǎng)絡(luò)交叉開關(guān)是連接多臺工作站進行工作站間數(shù)據(jù)交換的硬件。網(wǎng)絡(luò)交叉開關(guān)可以是多級互聯(lián)構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)模型是比較適合工作站集群的一種拓撲結(jié)構(gòu)，它可以靈活配置、可擴展性好。圖1給出了工作站集群一般的拓撲結(jié)構(gòu)、結(jié)點機結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)1。

在網(wǎng)絡(luò)接口部件中，數(shù)據(jù)在工作站的I/O總線和網(wǎng)絡(luò)接口控制器之間傳輸，采用同步數(shù)據(jù)傳輸模式。最高性能的PCI總線可以實現(xiàn)66MHz、64位數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率為4.2Gbps，其物理上的連線長度僅在5cm左右。如果采用這種方式連接網(wǎng)絡(luò)接口與互聯(lián)開關(guān)存在以下問題：首先是連接距離太短，不適合工作站集群方式下的分布并行體系結(jié)構(gòu)；其次是數(shù)據(jù)位太寬、影響交叉開關(guān)集成電路的實現(xiàn)，如果要構(gòu)造8*8交叉開關(guān)，至少需要1024條I/O引腿，這在實際工程設(shè)計中，是無法實現(xiàn)的。因此通常采用時鐘域變換技術(shù)，通過變窄數(shù)據(jù)寬度，同時提高時鐘頻率的方法達到同樣的數(shù)據(jù)傳輸性能。一般數(shù)據(jù)為16位寬，如果要達到4.2Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，其時鐘頻率要達到264MHz以上，在實際工程設(shè)計中主要的問題是頻率高，信號衰減大，傳輸距離受到限制。主要采用源同步倍頻技術(shù)結(jié)合差分信號傳輸技術(shù)來實現(xiàn)。如果要達到這樣高的數(shù)據(jù)傳輸率, 同時保證系統(tǒng)連接的靈活性, 支持較長距離數(shù)據(jù)通信, 必須采用基于串行鏈路無全局時鐘同步的傳輸技術(shù)。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王慧維 - 副研究員 - 西南大學(xué)