Familia de topologías híbridas de red de interconexión para supercomputadores,

centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip.

Se describe una red híbrida de comunicaciones consistente en redes de distintas redes interconectadas para ofrecer un rendimiento óptimo y que permite conectar de forma eficiente un número elevado de nodos.

Familia de topologías híbridas de red de interconexión para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere al campo de las comunicaciones, más concretamente a las redes de interconexión para máquinas de altas prestaciones.

El objeto de la invención se puede utilizar en la red de interconexión de cualquier supercomputador, servidor de Internet o centro de proceso de datos de cualquier tamaño, especialmente en sistemas grandes con un elevado número de nodos de procesamiento.

Antecedentes de la invención

El tamaño de los grandes supercomputadores ha ido creciendo hasta alcanzar varios cientos de miles de nodos de procesamiento. Todos estos nodos de procesamiento trabajan de forma conjunta para resolver un problema en el menor tiempo posible, ya sea la predicción meteorológica, el plegado de proteínas, la simulación de armas nucleares, etc. Para permitir este trabajo cooperativo, se precisa de un elemento que permita intercambiar información entre los nodos de procesamiento. Este elemento se conoce con el nombre de red de interconexión. La red de interconexión debe ser capaz de interconectar de forma eficiente todos los nodos de procesamiento, ya que el rendimiento global del sistema se ve condicionado fuertemente por el rendimiento de la misma, puesto que la transmisión de información a través de la red introduce un tiempo extra al del cálculo propiamente dicho, lo que afecta al tiempo global requerido para la ejecución de las aplicaciones.

Las redes de interconexión para supercomputadores requieren características especiales que otras redes de comunicación no proporcionan. Por poner algunos ejemplos de estas últimas, se podría hablar de la mundialmente conocida Internet, o de las redes de área local disponibles en la mayoría de empresas y universidades. Las redes de computadores tradicionales están pensadas para redes o topologías arbitrarias con tecnologías heterogéneas. Además las comunicaciones que se realizan son distantes y no totalmente fiables.

Por otra parte, las redes de interconexión utilizan topologías regulares con una tecnología homogénea, son fiables y se busca tener una baja latencia. En las redes de interconexión de altas prestaciones, dos son las métricas fundamentales para medir sus prestaciones. La primera de ellas es la latencia de red de los paquetes, que mide el tiempo que tardan en viajar por la red desde su origen a su destino. La latencia tiene dos componentes: una debida a la red en sí, y la otra dada por el tráfico existente en la red. Cuando la red está vacía y solo se envía un paquete (no hay contención con otros paquetes por el uso de recursos), a esta latencia se le conoce como latencia base o con carga cero y nos da un límite inferior para una red dada, ya que ésta se corresponde con la parte de la latencia impuesta por la red con independencia del tráfico que haya en la misma.

La latencia es una medida de lo saturada que está la red, pues aumenta con su nivel de tráfico, ya que a mayor cantidad de tráfico es más frecuente que dos paquetes quieran utilizar a la vez un recurso y que uno de ellos tenga que esperar.

La otra métrica es la productividad proporcionada por la red, que representa la cantidad máxima de información (por ejemplo en bytes/seg.) entregada a los destinos. Para tasas de inyección de mensajes bajas, la red es capaz de entregar todo el tráfico inyectado, pero más allá de una tasa de inyección determinada (punto de saturación), la red se satura y se alcanza la máxima productividad que la red puede proporcionar. Mientras que la latencia está relacionada con la rapidez con la que se mueven los paquetes por la red, la productividad nos dice cuántos paquetes como máximo puede entregar la red por unidad de tiempo.

Las prestaciones de las redes de interconexión se ven influenciadas por muchos factores, pero, sin duda, dos de los factores más importantes son la topología de la red, y el algoritmo de encaminamiento utilizado en la misma.

La topología de la red define cómo se interconectan entre sí los nodos de procesamiento, y el algoritmo de encaminamiento determina el camino seguido por cada paquete desde el procesador que lo genera hasta el procesador destino del mismo. La topología utilizada en la red define también en gran medida su coste. Las redes suelen adoptar una estructura regular que simplifique el encaminamiento, su implementación y la posibilidad de expansión. Entre las distintas clasificaciones de las topologías regulares propuestas, la más comúnmente utilizada divide las redes en: redes directas y redes indirectas.

En las redes directas, cada nodo tiene su propio encaminador que lo conecta por medio de enlaces punto a punto con un subconjunto del resto de nodos, conocidos como nodos vecinos. La mayor parte de las implementaciones de redes directas adoptan una topología ortogonal, donde los nodos se distribuyen en un espacio n_d-dimensional, de forma que cada enlace produce un desplazamiento en una única dimensión.

Es decir, todos los enlaces de la red se organizan en varias dimensiones de forma regular y cada nodo tiene al menos un enlace en cada dimensión. La simetría y regularidad de estas topologías simplifica la implementación de la red y el encaminamiento, ya que el movimiento de un paquete a lo largo de una dimensión dada no modifica el número restante de saltos en cualquiera de las otras dimensiones hacia el destino. Este tipo de redes son conocidas como k_d-ary n_d-cubes, donde k_d es el número de nodos en cada una de las n_d dimensiones. El número total de nodos en el sistema es N = k_d^n_d.

En estas redes, los nodos se identifican mediante un número con tantas componentes como dimensiones {c_n-1, c_n-2,..., c₀} y en cada dimensión, la componente asociada puede tomar un valor entre 0 y k_d-1. Los nodos vecinos en una determinada dimensión difieren en una unidad solo en la componente correspondiente a esa dimensión, teniendo las componentes del resto de dimensiones el mismo valor. Es decir, dos nodos c y c' están conectados en la dimensión a, es decir son vecinos en esa dimensión, si c_a = c'_a+1 y c_i = c'_i para el resto de dimensiones. Las tres redes directas más utilizadas son la malla, el toro y el hipercubo. En la malla, todos los nodos de una dimensión forman un vector lineal. En el toro, todos los nodos de cada dimensión forman un anillo. El hipercubo es un caso particular de la malla en la que en cada dimensión solo hay dos nodos de procesamiento (k_d = 2), lo cual lleva a un número de dimensiones (n_d) que debe ser lo suficientemente alto para interconectar todos los elementos de procesamiento (N) del sistema (p.e., n_d = log₂ N).

Para un número determinado de nodos N, la red proporciona una mejor conectividad cuanto mayor es el número de dimensiones. El hipercubo proporciona mejor conectividad que la malla y el toro, a cambio de un coste mayor: más enlaces y encaminadores con un mayor grado (número de puertos del conmutador).

La latencia está relacionada con la distancia media en número de enlaces que deben recorrer los mensajes para alcanzar su destino. A este respecto, el diámetro de la red mide la distancia máxima entre dos nodos de la red siguiendo el camino más corto entre ellos, es decir, el número máximo de enlaces que tienen que recorrer los mensajes en la red. En el caso de la malla, el diámetro es n_d * (k_d-1). Para un mismo número de nodos de procesamiento N = k_d^n_d, el diámetro crece al reducir el número de dimensiones n_d y aumentar el número de nodos por dimensión. El aumento de la distancia recorrida por los paquetes también aumenta la probabilidad de que se produzcan conflictos con otros paquetes que circulan por la red. Según esto, puede parecer interesante maximizar siempre el número de dimensiones de las redes directas para un tamaño dado.

Las redes directas de hasta tres dimensiones se pueden implementar utilizando enlaces relativamente cortos dentro de nuestro espacio tridimensional, independientemente del tamaño del...

1. Familia de topologías híbridas de red de interconexión (1) para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip que comprende al menos una red directa de redes indirectas donde n_n es el número de dimensiones de la red y caracterizada porque cada dimensión comprende k_n nodos de procesamiento con componentes {c_n-1,..., c₀} dispuestos de tal forma que un número de nodos de procesamiento se encuentra definido por N = k_n^n_n y donde, en al menos una dimensión, los nodos que cumplen: {c_n-1, c_n-2,..., c_a+1, X, c_a-1,..., c₀}, estando X comprendida entre 0 y k_n-1; se encuentran conectados entre sí mediante una red indirecta.

2. Familia de topologías híbridas de red de interconexión (1) para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip según reivindicación 1 caracterizada porque la conexión mediante red indirecta se encuentra definida por un conmutador (2).

3. Familia de topologías híbridas de red de interconexión (1) para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip según reivindicación 1 ó 2 caracterizada porque el número de nodos por dimensión es superior al número de puertos y el conmutador (2) es una red indirecta fat-tree.

4. Familia de topologías híbridas de red de interconexión (1) para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los nodos de procesamiento comprenden respectivamente al menos un encaminador (3) adaptado para conectar cada nodo de procesamiento a cada una de las n_n dimensiones.

5. Familia de topologías híbridas de red de interconexión (1) para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip según reivindicación 4 caracterizada porque el encaminador (3) dispone de tantos puertos como dimensiones a las que se conecta.

6. Familia de topologías híbridas de red de interconexión (1) para supercomputadores, centros de proceso de datos, servidores y redes dentro del chip según reivindicación 4 ó 5 caracterizada porque el encaminador (3) se encuentra ubicado en el interior del nodo de procesamiento.