多級網路

多級網路（multistage network）是高性能並行計算機系統採用的高速低延時互連架構，通過多級交換單元實現數據分級轉發。其核心技術特徵包含三級結構分類體系：無阻塞網路（如交叉開關）、可重排非阻塞網路與阻塞網路，並支持CLOS網路或胖樹結構的擴展架構設計。該結構通過分離計算單元與存儲單元實現並行系統互聯，在2020年技術規範中可實現128連線埠以上的交換規模，已被《計算機科學技術名詞》第三版收錄為學科標準術語。

基本介紹

• 外文名：multistage network
• 提出時間：2020年8月23日
• 技術特徵：多級交換單元分級連線
• 分類體系：三級結構（無阻塞/可重排/阻塞）
• 套用領域：高性能並行計算機系統
• 核心技術：連線埠互連與路徑重構 

技術定義

多級網路是由重複設定的多套單級互連網路構成的體系架構，通過輸入/輸出連線埠與多級交換單元建立分級連線，實現數據在並行計算單元間的低延時傳輸。該結構被《計算機科學技術名詞》第三版明確定義為計算機科學技術領域的標準術語，其技術實現符合全國科學技術名詞審定委員會的審定標準。

結構特徵

系統採用分級式交換節點布局，每個交換單元內部採用無阻塞設計，支持大規模並行系統互連。截至2020年技術規範，當代實現方案可支持128連線埠及以上的網路規模。核心架構包含：

• 輸入級：對接計算單元輸出連線埠
• 中間級：多級交換單元構成傳輸鏈路
• 輸出級：連線目標存儲或處理單元

分類體系

根據阻塞特性劃分為三類網路結構：

• 無阻塞網路：典型代表為交叉開關結構，確保任意時刻所有輸入輸出連線埠均可建立獨立連線通道
• 可重排非阻塞網路：通過路徑重構技術消除阻塞狀態，需要特定控制算法支持
• 阻塞網路：受交換資源限制，可能出現數據傳輸衝突

擴展架構

針對不同規模的系統需求採用差異化構建方案：

• 小規模系統直接採用單級交換單元實現基礎互連
• 大規模系統部署CLOS網路架構，通過分級交換消除阻塞
• 超大規模系統採用胖樹結構（Fat-Tree），最佳化頻寬分配與傳輸效率

技術實現

系統通過物理隔離計算單元與存儲單元，採用多級交換晶片陣列實現數據路徑控制。主要技術參數包含：

• 連線埠密度：單交換單元支持128個物理連線埠（2022年技術指標）
• 傳輸延時：納秒級信號處理延遲
• 拓撲靈活性：支持動態重構網路連線路徑該架構已被套用於超級計算機互連子系統，滿足高吞吐量、低抖動傳輸需求。