Lec 16 片上网络（二）：路由器微架构与路由（On-Chip Networks II: Router Microarchitecture & Routing）

MIT 6.5900 Fall 2024 · Daniel Sanchez 主题：路由器微架构与流水线、分配器（allocator）、流水线优化、路由算法、死锁与转向模型（Turn Model）

TL;DR

• 路由器微架构与流水线：片上路由器包含缓冲、分配逻辑与 Crossbar 开关；经典流水线划分为写缓冲（BW）、路由计算（RC）、虚通道分配（VA）、交换分配（SA）、交换穿越（ST）与链路穿越（LT）。
• 流水线压缩技术：通过前瞻路由（Lookahead Routing）将 RC 转移至上一跳重叠执行，结合推测交换分配（Speculative SA）在低载下并发进行 VA 与 SA，大幅削减路由器单跳延迟。
• 死锁防范与转向模型：基于信道依赖图（CDG）禁止特定转向（如 West-First、North-Last）或按维序分配虚通道（DOR/VC Partitioning），系统化破除循环依赖环。

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一、回顾：虫孔 vs 虚通道流量控制

• 虫孔（Wormhole）：每个路由器以 flit 为单位管理缓冲，包尽快经输出链路转发（不等所有 flit 到齐）。路由器缓冲放不下整包，拥塞时包的 flit 常跨多个路由器缓冲。问题：拥塞时分配给被阻塞包的链路无法被其他包使用。
• 虚通道（VC）：包阻塞时占住虚通道而非物理信道。VC = 信道状态 + flit 缓冲。多个 VC 减少阻塞（虫孔相当于 1 VC/信道）。

VC 优点：显著减少阻塞。缺点：路由器更复杂，需公平的 VC 分配。

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二、路由器微架构

基于环的互连

由若干环停（ring stop）串成环。每个环停在输入处判断：若环上无流量则允许新输入进入；若环上有流量，需决定环上流量与新输入谁优先。

• 旋转规则（Rotary Rule）：环上流量优先；
• 弹回（Bounces）：若环上流量无法投递（如输出 FIFO 满），一种做法是让它继续在环上绕（弹回）。后果：环上流量不再是 FIFO 顺序。

更一般的互连（如 Tilera、Knights Landing）用 2-D 网格。

路由器里有什么

路由器本身也是一个系统：

• 逻辑：状态机、仲裁器（arbiter）、分配器（allocator）——控制数据在路由器内的移动（Idle / Routing / Waiting / Active）；
• 存储：缓冲——转发前存放 flit（SRAM、寄存器）；
• 通信：交换——把 flit 从输入端口送到输出端口（crossbar、多 crossbar、全连接、总线）。

路由器流水线 vs 处理器流水线

虚通道路由器的逻辑级（logical stages）：

缩写	含义
BW	Buffer Write（缓冲写入）
RC	Route Computation（路由计算）
VA	VC Allocation（虚通道分配）
SA	Switch Allocation（交换分配）
ST	Switch Traversal（交换穿越）
LT	Link Traversal（链路穿越）

类比处理器流水线 IF/ID/EX/MEM/WB：不同 flit 经历不同阶段，不同路由器有不同变体（推测、前瞻、旁路）。

基线路由器流水线

• 路由计算每包一次；
• 虚通道每包分配一次；
• 体 flit 与尾 flit 继承头 flit 的这些信息（故只需经 BW → SA → ST → LT）。

Head : BW RC VA SA ST LT
Body : BW          SA ST LT
Tail : BW          SA ST LT

路由器中的分配器

• VC 分配器（VC Allocator）：各输入 VC 为一组输出 VC 提出请求。例：East 输入端口的某 VC0 包要去 West 输出端口，希望拿到该输出端口的任一 VC；
• 交换分配器（Switch Allocator）：同一输入端口的各输入 VC 请求不同输出端口（一个去 North，一个去 West）；
• 为效率常用贪心算法；分配失败的周期会产生停顿（VA/SA stall）。

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三、流水线优化

1. 前瞻路由（Lookahead Routing）[Galles, SGI Spider]

在当前路由器为下一个路由器做路由计算：头 flit 已携带下一跳的输出端口，RC 只需读出（快，可与 BW 重叠）。预计算路由使 flit 在 BW 后可立即竞争 VC；下一跳的路由计算（NRC）可与 VA 并行。或者直接简化 RC（如 X-Y 路由非常快）。

BW  RC
        VA  NRC  SA  ST  LT

2. 推测交换分配（Speculative Switch Allocation）[Peh & Dally, 2001]

假设 VA 阶段会成功（低到中等负载下成立），则 VA 与 SA 并行完成；若 VA 失败（没返回 VC），下周期重做 VA/SA。优先非推测请求。

BW  RC  VA
        SA  ST  LT

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四、路由算法

路由算法的性质（回顾）

确定性/无关、自适应、最小、无死锁。

网络死锁（Network Deadlock）

流 A 持有信道 u、v，但要前进必须拿到 w；流 B 持有 w、x，但要前进必须拿到 u —— 互相等待，死锁。

维序路由（Dimension-Order Routing, DOR）

• XY 序：先走 X 方向再走 Y 方向，用 4 种转向中的 2 种；
• YX 序：先 Y 后 X，同样用 2 种转向；
• XY 无死锁，YX 无死锁——但 XY + YX 混用会死锁！

转向与转向模型（Turn Model）[Glass and Ni, 1994]

• 判断路由是否无死锁的一种视角：看允许哪些转向；若允许的转向能构成环则可能死锁；
• 转向模型：系统化地用尽量少的禁止转向生成无死锁路由；
• 只要路由符合至少一个转向模型（即信道依赖图无环），即无死锁；
• 常见模型：West-First（先西）、North-Last（后北）；允许更多转向可支持自适应路由，但也可能引入死锁（如六转向模型）。

信道依赖图（Channel Dependency Graph, CDG）

• CDG 的顶点表示网络链路，边对应网络中的转向；
• 禁止 180° 转向（如 AB → BA）；
• 由拓扑导出的 CDG 可能含许多环——例如沿 AB→BE→EF 与 EF→FA→AB 的两个流会形成环导致死锁；
• 关键洞见：若各流的路由符合无环 CDG，则不可能死锁；做法是删除 CDG 中某些边（即禁止某些转向）——可以特设（ad-hoc）删，也可按 West-First 等模型删。

用虚通道避免死锁

通过限制 VC 分配可避免死锁：把每条物理链路拆成多个 VC（如 AF0/AF1、FE0/FE1……），让原本会成环的依赖落在不同 VC 上，从而打破环。

随机化路由

• Valiant：把每个包先路由到一个随机选择的中间节点 $I_A$，再从 $I_A$ 到最终目的 $D_A$。有助于网络负载均衡、最坏情况性能好，但牺牲局部性；
• ROMM（Randomized, Oblivious, Multi-phase, Minimal）：为保留局部性，在最小象限内选中间节点，等价于在源到目的的各条最小路径中随机选一条。

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路由器微架构与无死锁路由算法总结

• 路由器是含逻辑（分配器/仲裁器）、存储（缓冲）、通信（crossbar）的小系统，流水线分 BW/RC/VA/SA/ST/LT；
• 前瞻路由与推测交换分配可缩短流水线关键路径；
• 维序路由（XY/YX）简单无死锁但混用会死锁；转向模型与无环 CDG是系统化保证无死锁的工具；虚通道可通过限制分配打破依赖环；
• 随机化路由（Valiant/ROMM）以局部性换取负载均衡与更好的最坏情况性能。

下一讲：事务内存（Transactional Memory）