Switching Elements（交换单元）
交换单元是构成交换网络的最基本部件。交换网络 = 若干交换单元按拓扑结构 + 控制方式组成。交换单元完成”任意入线到任意出线建立连接”这一基本功能。
基本模型
控制端
│
▼
┌──────────────────┐
│ 入线 → [交换单元] → 出线 │
└──────────────────┘
│
▼
状态端
四个组成部分：输入端口、输出端口、控制端、状态端。
分类
按信息传送方向
- 有向：入线进、出线出，方向唯一确定
- 无向：每条线既可入也可出
按入出线数量
- 集中型：入线数 > 出线数
- 连接型：入线数 = 出线数
- 扩散型：入线数 < 出线数
按入出线间是否共享单一通路（核心分类）
空分交换单元（Space Switch / S 接线器）
入出线之间有独立物理通路，通过交叉点开关阵列建立连接。
组成：交叉点矩阵（开关阵列）+ 控制存储器（CM）
特性：
- 容易实现广播（一点到多点）
- 入线到出线均匀单位延迟
- 控制信号简单
- 适合小规模交换单元（开关数 = 入线 × 出线，反映复杂度和成本）
- 性能依赖于所用开关
控制存储器：
- CM 数量 = 入（或出）线数
- 每 CM 存储单元数 = 复用时隙数
- 每 CM 单元 m bit，满足 N ≤ 2^m（N 为入/出线数）
- 控制各交叉点开关在何时打开/关闭
典型应用：电话交换机 S 级、crossbar switch
时分交换单元（Time Switch / T 接线器）
内部仅一条共享通路，各子信道分时共享。
两种类型：
| 类型 | 共享通路 | 工作方式 |
|---|---|---|
| 共享存储器型 | 共享 RAM | 数据写入共享存储器，按顺序/地址读出到出线 |
| 共享总线型 | 共享 Bus | 入线控制部件按时隙将数据送上总线，出线控制部件检测并取走自己的数据 |
共享总线型流程：
- 入线控制部件：接收信号 → 格式变换 → 缓存 → 在分配时隙送上总线
- 出线控制部件：检测总线 → 读取属于自己的信息 → 格式变换 → 输出
- 总线：按时隙轮流分配给各入线/出线控制部件
典型应用：T 接线器（数字程控交换）、共享总线交换结构
性能指标
| 指标 | 定义 |
|---|---|
| 容量 | 所有入线可同时送入的总信息量 |
| 接口 | 信号形式、速率、信息流方向的标准 |
| 功能 | 点到点、点到多点 |
| 质量 | 交换速度、连接完成可靠性、信息损伤（时间/语义） |
与 AI 基础设施的关联
- 空分 ↔ NVLink 交叉开关：NVIDIA NVLink switch 本质是大型空分交换单元——N 入 N 出的 crossbar，控制逻辑决定哪个 GPU 连哪个
- 时分 ↔ 共享总线/fabric：PCIe bus、早期共享内存交换属于时分模式
- Kyber Rack 中 NVLink 7 switch：72 个 switch × 144 GPU 的全连接 = 多级空分交换网络
- Nvidia Groq 3 Lpx C2C mesh：16 LPU all-to-all mesh 即空分交叉矩阵的 PCB 实现
- 集中型/扩散型：对应推理集群中 attention node（多副本 → 扩散型）和 expert node（聚合 → 集中型）的 Disaggregated Inference 架构
- S+T 组合：传统电信交换用 S-T-S 或 T-S-T 多级结构降低交叉点数——同理，大规模 scale-up fabric 用多级拓扑（fat-tree, dragonfly）降低单级 radix 要求
相关页面
- Switching Principles — 交换原理概述（交换方式、基本概念）
- Nvidia Groq 3 Lpx — LPX C2C 网络拓扑
- Kyber Rack — NVLink 7 switch 多级交换
- Disaggregated Inference — M:N 通信模式
- Noc Router Microarchitecture — NoC Router 微架构（片上交换单元的电路级实现）