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近年来,随着人工智能、云计算、大数据等信息技术的高速发展,数据规模正呈现井喷式的快速增长。基于动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)与非易失性存储器(Non-Volatile Memory,NVM)的混合主存系统由于结合了DRAM与NVM两者的性能优势,能够有效解决现有基于单一存储介质的主存系统所面临的技术瓶颈,实现大容量、低开销、高可扩展性的主存系统,已经成为主流的计算机主存系统设计方案。但是,现有的混合主存系统多采用基于电总线的互连网络来实现处理器与主存间的访存通信。随着系统中处理器规模以及片上所搭载的数据密集型应用数量的不断增长,处理器与主存间的访存通信将愈加频繁,基于电总线的互连网络面临并行性低、可扩展性差以及功耗高等多方面问题,从而成为混合主存系统性能提升的主要瓶颈。为解决上述问题,本论文主要研究内容:采用具有高带宽密度、低通信时延、高能效、比特率透明等特性的光互连来代替原有电总线互连,根据混合主存系统中的访存通信特性,设计面向混合主存系统的具有高并行性、高可扩展性以及高能效的光互连网络。现有混合主存系统架构根据DRAM与NVM所在的存储层级不同,可以划分为同级混合主存系统与多级混合主存系统两类。由于两者的访存通信特性不同,光互连网络设计也存在差异。本文首先研究同级混合主存系统的访存通信特性,根据该通信特性设计了一种面向同级混合主存系统的可扩展的光互连网络拓扑,并结合网络拓扑结构提出了基于单拉丁矩阵原理的最优化波长分配方案,以更低的波长资源以及光器件资源开销实现处理单元簇与各个存储模块之间无阻塞并行访存通信。随后,进一步阐述了不同规模下光互连网络拓扑以及波长分配的扩展规则。基于混合存储仿真器NVMain对所提出的光互连网络进行了仿真模拟,在4并行存储模块以及8并行存储模块两种不同规模下与传统电总线主存系统进行性能的对比分析,仿真结果显示在不同PARSEC测试基准集下,相同仿真周期所完成的读写访问总量最高提升71.30%和163.19%,系统带宽至少提升24.56%和51.49%,平均时延分别降低40.77%和58.16%,能效改善24.54%和41.45%。在此基础上,本文进一步研究了多级混合主存系统与同级混合主存系统在访存通信特性上的差异。据此本文提出了一种面向多级混合主存系统的光互连网络设计,改变了基于多嵌套环形光波导的网络拓扑中的通信路径,支持不同处理单元簇与各个DRAM缓存模块,以及不同DRAM缓存模块与各个NVM主存模块间无阻塞并行通信。结合网络拓扑中多波长路由方式提出了基于多拉丁矩阵的最优化波长分配方案以及在不同规模下网络的扩展方法。仿真结果显示,所提出的面向多级混合主存系统的光互连网络较传统电总线网络,在读写访问总量、系统带宽、平均时延以及能效等性能方面均有显著改善。