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Interconexión toroidal

Una interconexión toroidal es una topología de red sin interruptores para conectar nodos de procesamiento en un sistema informático paralelo . Diagrama de una interconexión toro...

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Una interconexión toroidal es una topología de red sin interruptores para conectar nodos de procesamiento en un sistema informático paralelo .

Diagrama de una interconexión toroidal tridimensional . No se limita a 8 nodos, sino que puede constar de cualquier número de nodos en una disposición rectilínea similar.

Introducción

En geometría , un toroide se crea al hacer girar un círculo alrededor de un eje coplanar . Si bien esta es una definición general en geometría, las propiedades topológicas de este tipo de figura describen la topología de la red en su esencia.

Ilustración geométrica

En las representaciones que se muestran a continuación, la primera es un toroide unidimensional, un círculo simple. La segunda es un toroide bidimensional, con forma de rosquilla. La animación ilustra cómo se genera un toroide bidimensional a partir de un rectángulo mediante la conexión de sus dos pares de aristas opuestas. En una dimensión, la topología de un toroide es equivalente a una red de interconexión en anillo , con forma de círculo. En dos dimensiones, se convierte en equivalente a una malla bidimensional, pero con conexiones adicionales en los nodos de las aristas.

Topología de red toroidal

Una interconexión toroidal es una topología sin interruptores 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 los bordes opuestos de la matriz conectados. [1] En esta red , cada nodo tiene 2N conexiones. Esta topología recibe su nombre de la red formada de esta manera, que es topológicamente homogénea a un toro N-dimensional .

Visualización

Las tres primeras dimensiones de la topología de red toroidal son más fáciles de visualizar y se describen a continuación:

  • Toroide 1D: una dimensión, n nodos conectados en un bucle cerrado, donde cada nodo está conectado a sus dos vecinos más cercanos. La comunicación puede tener lugar en dos direcciones, +x y −x. Un toroide 1D es equivalente a una interconexión en anillo .
  • Toro bidimensional: dos dimensiones con grado cuatro, los nodos se imaginan dispuestos en una red rectangular bidimensional de n filas y n columnas, con cada nodo conectado a sus cuatro vecinos más cercanos, y los nodos correspondientes en los bordes opuestos conectados. La comunicación puede tener lugar en cuatro direcciones, +x, −x, +y y −y. El número total de nodos de un toro bidimensional es n² .
  • Toro 3D: en tres dimensiones, los nodos se imaginan en una red tridimensional con forma de prisma rectangular, donde cada nodo está conectado con sus seis vecinos, y los nodos correspondientes en las caras opuestas de la red están conectados. Cada arista consta de n nodos. La comunicación puede tener lugar en seis direcciones: +x, −x, +y, −y, +z y −z. Cada arista de un toro 3D consta de n nodos. El número total de nodos de un toro 3D es n³ .
  • Toro ND: N dimensiones, cada nodo de un toro de N dimensiones tiene 2N vecinos, la comunicación puede tener lugar en 2N direcciones. Cada arista consta de n nodos. El número total de nodos de este toro es n N. La principal motivación para tener un toro de mayor dimensión es lograr mayor ancho de banda, menor latencia y mayor escalabilidad .

Las matrices de dimensiones superiores son difíciles de visualizar. El conjunto de reglas anterior muestra que cada dimensión superior añade otro par de conexiones de vecinos más cercanos 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 la Cray XT3. [ 1 ] Blue Gene/Q de IBM utiliza una red toroidal pentadimensional. La computadora K de Fujitsu y la PRIMEHPC FX10 utilizan una interconexión de malla 3D toroidal tridimensional propietaria llamada Tofu. [ 2 ]

Simulación de rendimiento de toroide 3D

Sandeep Palur y el Dr. Ioan Raicu del Instituto Tecnológico de Illinois realizaron experimentos para simular el rendimiento de un toroide 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:

  • Tamaño de red variable
  • Número variable de servidores
  • Tamaño de mensaje variable

Concluyeron que el rendimiento disminuye con el aumento de servidores y tamaño de la red. Por el contrario, el rendimiento aumenta con el aumento del tamaño del mensaje. [ 3 ]

Rendimiento del producto 6D Torus

Fujitsu Limited desarrolló un modelo de computadora de toroide 6D llamado "Tofu". En su modelo, un toroide 6D puede alcanzar  un ancho de banda fuera del chip de 100 GB/s, una escalabilidad 12 veces mayor que la de un toroide 3D y una alta tolerancia a fallos . El modelo se utiliza en la computadora K y en Fugaku . [ 4 ]

Costo

Si bien los enlaces envolventes largos pueden ser la forma más sencilla de visualizar la topología de conexión, en la práctica, las restricciones en la longitud de los cables a menudo los hacen poco 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 de vecinos más cercanos en una interconexión de cuadrícula simple— y, por lo tanto, de baja latencia. [ 7 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ NR Agida et al. 2005 Blue Gene/L Torus Interconnection Network , IBM Journal of Research and Development, Vol 45, No 2/3 Marzo–Mayo 2005 página 265 "Copia archivada" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 15-08-2011 . Recuperado el 09-02-2012 .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: copia archivada como título ( enlace )
  2. ↑ Fujitsu presenta la supercomputadora Post-K HPC Wire 7 de noviembre de 2011
  3. ↑ Sandeep, Palur; Raicu, Dr. Ioan. "Comprensión del rendimiento de la red Torus a través de simulaciones" (PDF) . Consultado el 28 de noviembre de 2016 .
  4. ↑ Inoue, Tomohiro. "La interconexión de malla/toro 6D de la computadora K" (PDF) . Fujitsu . Consultado el 28 de noviembre de 2016 .
  5. ↑ "Topología de toro de mundo pequeño" .
  6. ↑ Pavel Tvrdik. "Temas en computación paralela: Incrustaciones y simulaciones de IN: Incrustaciones óptimas de toros en mallas" .
  7. ↑ "La arquitectura del toro 3D y el enfoque de Eurotech" .