高性能Benes网络路由求解算法及硬件加速器

来源：计算机工程与应用杂志2025年第14期北京时间：

作者：秦梦远, 刘宏伟, 郝沁汾

单位：1.中国科学院 计算技术研究所，北京 100191；2.中国科学院大学，北京 101408

摘要：光互连网络使用光交叉开关阵列实现光交换。大规模快速光交叉开关阵列多使用紧凑的Benes网络构建，以避免级联过多开关点导致较高物理链路损耗。但对Benes网络的路由求解将引入数百纳秒至数毫秒的开销，产生交换性能瓶颈。为降低此开销并消除性能瓶颈，提出一种利于高性能硬件实现的Benes网络完全重排求解算法，改进了传统Benes网络求解算法的求解次序，提高了并行度。提出基于该算法的硬件加速器，具有优良的频率特性，FPGA版本加速器固定耗时26?ns可完成一次16×16?Benes网络重构求解。通过流水线优化，将连续求解吞吐量提升至700?MOPs。相比现有同类路由求解算法的FPGA实现，其求解速度提升9.85倍，连续求解吞吐量提升2.8倍。若使用ASIC技术而非FPGA构建加速器芯片，预计可将求解耗时降低至与开关阵列重构耗时相仿的水平，彻底消除性能瓶颈。

关键词：Benes网络,重排求解算法,并行化,硬件加速器,FPGA