Una interconexión de toro es una topología de red sin conmutadores para conectar nodos de procesamiento en un sistema informático paralelo .
Introducción
En geometría , un toro se crea girando un círculo alrededor de un eje coplanar al círculo. Si bien esta es una definición general en geometría, las propiedades topológicas de este tipo de forma describen la topología de la red en su esencia.
Ilustración de geometría
Las siguientes imágenes son toroides 1D y 2D. El toro 1D es un círculo simple y el toro 2D tiene la forma de una rosquilla. La siguiente animación ilustra cómo se genera un toro en 2D a partir de un rectángulo conectando sus dos pares de bordes opuestos. Aquí, el concepto de toro se utiliza para describir esencialmente el comienzo y el final de una secuencia de nodos conectados, como una rosquilla. Para ilustrar mejor el concepto y comprender lo que significa la topología en la interconexión de redes, ofrecemos 3 ejemplos de nodos interconectados en paralelo que utilizan topología de toro. En una dimensión, una topología de toro equivale a una red de interconexión de anillos , con forma de círculo. En 2D, es equivalente a una malla 2D, pero con conexión adicional en los nodos de borde, que es la definición de toro 2D.
Ejemplo de toro 1D, un círculo.
Ejemplo de toro 2D, una dona.
Generación de un toro en 2D a partir de un rectángulo en 2D.
Topología de la red Torus
Podemos generalizar la regla a partir de las figuras anteriores. La interconexión Torus es una topología sin conmutadores que puede verse como una interconexión de malla con nodos dispuestos en una matriz rectilínea de N = 2, 3 o más dimensiones, con procesadores conectados a sus vecinos más cercanos y procesadores correspondientes en bordes opuestos de la matriz conectada. [1] En esta red , cada nodo tiene 2N conexiones. Esta topología recibió el nombre del hecho de que la red formada de esta manera es topológicamente homogénea a un toro N-dimensional .
Visualización
Las primeras 3 dimensiones de la topología de la red toroide son más fáciles de visualizar y se describen a continuación:
Ilustración de 1D Torus
Ilustración de 2D Torus
Ilustración de 3D Torus
- 1D Torus: es una dimensión, n nodos están conectados en bucle cerrado con cada nodo conectado a sus 2 vecinos más cercanos la comunicación puede tener lugar en 2 direcciones, + x y −x. El toro 1D es igual que la interconexión de anillo .
- Torus 2D: es bidimensional con grado de 4, los nodos se imaginan dispuestos en una celosía rectangular bidimensional de n filas yn columnas, con cada nodo conectado a sus 4 vecinos más cercanos, y los nodos correspondientes en bordes opuestos conectados. La conexión de los bordes opuestos se puede visualizar enrollando la matriz rectangular en un "tubo" para conectar dos bordes opuestos y luego doblando el "tubo" en un toro para conectar los otros dos. la comunicación puede tener lugar en 4 direcciones, + x, −x, + y, y −y. El total de nodos de 2D Torus es n 2
- Torus 3D: es tridimensional, los nodos se imaginan en una celosía tridimensional en forma de prisma rectangular, con cada nodo conectado con sus 6 vecinos, con los nodos correspondientes en las caras opuestas del arreglo conectado. Cada borde consta de n nodos. la comunicación puede tener lugar en 6 direcciones, + x, −x, + y, −y, + z, −z. Cada borde de 3D Torus consta de n nodos. El total de nodos de 3D Torus es n 3
- ND Torus: puede tener dimensión N , cada nodo de dimensión N torus tiene 2N vecinos, la comunicación puede tener lugar en 2N direcciones. Cada borde consta de n nodos. Nodos totales de este toro es n N . La principal motivación de tener una mayor dimensión de toro es lograr un mayor ancho de banda, menor latencia y mayor escalabilidad.
Las matrices de mayor dimensión son difíciles de visualizar, pero podemos ver en la regla anterior que cada dimensión superior agrega otro par de conexiones vecinas más cercanas a cada nodo.
Actuación
Varias supercomputadoras de la lista TOP500 utilizan redes toroidales tridimensionales, por ejemplo, Blue Gene / L y Blue Gene / P de IBM y Cray XT3. [1] Blue Gene / Q de IBM utiliza una red toroidal de cinco dimensiones. La computadora K de Fujitsu y el PRIMEHPC FX10 utilizan una interconexión de malla 3D toro tridimensional patentada llamada Tofu. [2]
Simulación de rendimiento 3D Torus
Sandeep Palur y el Dr. Ioan Raicu del Instituto de Tecnología de Illinois realizaron experimentos para simular el rendimiento del toro en 3D. Sus experimentos se ejecutaron en una computadora con 250 GB de RAM, 48 núcleos y arquitectura x86_64. El simulador que utilizaron fue ROSS ( Sistema de simulación optimista de Rensselaer ). Se centraron principalmente en tres aspectos: 1. Tamaño de red variable 2. Número variable de servidores 3. Tamaño de mensaje variable. Llegaron a la conclusión de que el rendimiento disminuye con el aumento de los servidores y el tamaño de la red. De lo contrario, el rendimiento aumenta con el aumento del tamaño del mensaje. [3]
Rendimiento del producto 6D Torus
Fujitsu Limited desarrolló un modelo de computadora toroide 6D llamado "Tofu". En su modelo, un toro 6D puede alcanzar un ancho de banda fuera del chip de 100 GB / s, una escalabilidad 12 veces mayor que un toro 3D y una alta tolerancia a fallas. El modelo se utiliza en la computadora K y Fugaku . [4]
Ventajas y desventajas
Ventajas
- Mayor velocidad, menor latencia
- Debido a la conexión de bordes opuestos, los datos tienen más opciones para viajar de un nodo a otro, lo que aumenta considerablemente la velocidad.
- Mejor equidad
- En una interconexión de malla 4 × 4, la distancia más larga entre los nodos es desde la esquina superior izquierda hasta la esquina inferior derecha. Cada dato requiere 6 saltos para recorrer el camino más largo. Pero en una interconexión Torus 4 × 4, la esquina superior izquierda puede viajar a la esquina inferior derecha con solo 2 saltos
- Menor consumo de energía.
- Dado que los datos tienden a viajar menos saltos, el consumo de energía tiende a ser menor.
Desventajas
- Complejidad del cableado
- Los cables adicionales pueden dificultar el proceso de enrutamiento en la fase de diseño físico. Si queremos colocar más cables en el chip, es probable que necesitemos aumentar el número de capas de metal o disminuir la densidad en el chip, que es más caro. De lo contrario, los cables que conectan los bordes opuestos pueden ser mucho más largos que otros cables. Esta desigualdad de longitudes de enlace puede causar problemas debido al retardo RC .
- Costo
- Si bien los enlaces envolventes largos pueden ser la forma más fácil de visualizar la topología de la conexión, en la práctica, las restricciones en la longitud de los cables a menudo hacen que los enlaces envolventes largos no sean prácticos. En cambio, los nodos conectados directamente, incluidos los nodos que la visualización anterior coloca en los bordes opuestos de una cuadrícula, conectados por un enlace envolvente largo, se colocan físicamente casi adyacentes entre sí en una red de toro plegado. [5] [6] Cada enlace en la red de toro plegado es muy corto, casi tan corto como los enlaces del vecino más cercano en una interconexión de red simple, y por lo tanto, de baja latencia. [7]
Ver también
Referencias
- ^ NR Agida y col. 2005 Blue Gene / L Torus Interconnection Network , IBM Journal of Research and Development, Vol. 45, No 2/3 de marzo a mayo de 2005, página 265 "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de agosto de 2011 . Consultado el 9 de febrero de 2012 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ Fujitsu presenta el cable HPC de supercomputadora post-K el 7 de noviembre de 2011
- ^ Sandeep, Palur; Raicu, Dr. Ioan. "Comprensión del rendimiento de la red Torus a través de simulaciones" (PDF) . Consultado el 28 de noviembre de 2016 .
- ^ Inoue, Tomohiro. "La interconexión 6D Mesh / Torus de la computadora K" (PDF) . Fujitsu . Consultado el 28 de noviembre de 2016 .
- ^ "Topología de toro de mundo pequeño" .
- ^ Pavel Tvrdik. "Temas en computación paralela: incrustaciones y simulaciones de IN: incrustación óptima de tori en mallas" .
- ^ "La arquitectura 3D Torus y el enfoque de Eurotech" .