3D片上光互连网络研究_本期优秀论文_吴华炳
基于神经网络的光互连网络仿真研究与优化
基于神经网络的光互连网络仿真研究与优化光互连网络是未来高性能计算的重要方向之一，其具有高速率、低延迟、低功耗等优点。
而基于神经网络的光互连网络仿真研究与优化，则是实现这些优点的关键。
一、光互连网络的特点与问题光互连网络是以光学为基础的高速率、高带宽网络，它利用光学信号代替传统的电信号在网络中传输。
光互连网络具有以下特点：1. 高速率：光互连网络采用光电互换技术，可以实现高速度传输，理论上可达到Tbps级别的速度。
2. 低延迟：光互连网络在传输过程中，光学信号在光纤中的传播速度非常快，因此可以有效地减少延迟问题。
3. 低功耗：相比于电子互连网络，光互连网络利用光学信号代替传统的电信号在网络中传输，因此能够大幅降低功耗。
尽管光互连网络具有以上优点，但也存在一些问题：1. 光网络需求量大：由于光互连网络在传输速度和带宽方面的优势，因此在高性能计算、云计算等领域中使用的需求量非常大。
2. 光网络故障率高：光互连网络的设备、组件和光纤等在使用过程中容易发生故障，对于光互连网络的可靠性和稳定性提出了新的要求。
3. 网络管理和调度困难：光互连网络的复杂性和高速率对网络管理和调度提出了新的挑战。
二、基于神经网络的光互连网络仿真研究基于神经网络的光互连网络仿真研究，主要是以神经网络为基础，利用其优良的自适应性、非线性函数逼近能力和学习能力，针对光互连网络中的问题进行建模分析、性能预测和优化设计。
在光互连网络仿真研究中，神经网络广泛应用于以下方面：1. 光网络性能分析和优化：利用神经网络对光网络的整体性能进行建模和预测，实现对网络性能的在线监测、预测和优化。
2. 光网络患者分析：针对光网络故障率高的问题，利用神经网络对光网络患者进行检测、监测、定位和修复，有效提高光网络的可靠性和稳定性。
3. 光网络拓扑结构设计：利用神经网络对光网络结构和组件进行自适应优化，实现对光网络结构和组件的自动化设计和优化。
三、基于神经网络的光互连网络仿真优化基于神经网络的光互连网络仿真优化，主要是以神经网络为核心，利用光互连网络的特点和问题，实现对网络性能、可靠性和稳定性的优化。
基于多级网络的片上光互连系统的研究的开题报告
基于多级网络的片上光互连系统的研究的开题报告一、研究背景与意义随着芯片规模越来越大，互连成为限制芯片性能的瓶颈之一。
为了解决这个问题，光互连技术被提出。
相比于电互连，光互连具有高速、低能耗、低延迟等优点。
然而，传统的片上光互连架构中存在一些问题，比如成本高、复杂度大、稳定性差等。
因此，研究基于多级网络的片上光互连系统，具有重要的研究意义。
二、研究内容和方法本研究将基于多级网络的片上光互连系统作为研究对象，针对现有的片上光互连架构中存在的问题，提出了一种新的解决方案。
具体的研究内容如下：1. 多级网络的构建。
根据芯片中不同功能单元之间的互连需求，设计出一种多级网络的结构，并建立相应的数学模型。
2. 光互连的实现。
针对多级网络的结构，设计出一种高效的光互连方案，实现芯片中不同功能单元之间的快速互连。
3. 系统的实现和测试。
基于开源EDA软件，实现设计的多级网络和光互连方案，并进行性能测试。
三、预期研究成果及创新点本研究预期可以获得以下成果：1. 提出一种新的基于多级网络的片上光互连架构方案，解决传统光互连架构的成本高、复杂度大、稳定性差等问题。
2. 建立了相关的数学模型，分析了多级网络的性能及光互连方案的实现效果。
3. 实现了设计的多级网络和光互连方案，并进行了性能测试，展示了其高速、低能耗、低延迟等优点。
四、研究进度安排第一年：1. 调研现有的片上光互连架构，并分析其存在的问题及未来的发展方向。
2. 设计多级网络结构，并建立相关的数学模型，对其性能进行分析和优化。
3. 开始光互连的实现，并进行初步实验验证。
第二年：1. 优化多级网络结构，并对光互连方案进行优化。
2. 完善并测试实现的多级网络和光互连方案，并进行性能测试。
3. 撰写论文及相关文章。
第三年：1. 完成论文及相关文章的撰写和修改。
2. 准备相关的学术报告，并参加相关学术会议。
3. 对研究成果进行总结和展示。
五、参考文献1. C. Chen, et al., “Energy-efficient system design with silicon photonic interconnects,” in Proc. IEEE Int. Symp. on Power and Energy Systems, 2016, pp. 1-5.2. K. Yoshida, et al., “Optical interconnects for future many-core processors,” Optics Express, vol. 24, no. 5, pp. 5016-5030, 2016.3. Z. Zheng, et al., “Silicon photonics for on-chip and inter-chip optical interconnects,” J. Semicond., vol. 38, no. 5, 2017.4. J. Van Campenhout, et al., “Towards optical multi-chip modules using 3D integration of silicon photonics and microelectronics,”in Proc. IEEE Int. Electron Devices Meeting, 2016, pp. 20.25.1-4.。
片上光网络_一种新型片上互连网络_计永兴
1
引言
随着 CM OS 集成工艺进入到纳米时代 , 基于
t em on Chip, 简称 SoC) 系统的需要, 因此有人提 出用片上网络 ( Net w ork o n Chip, 简称 NoC ) 解 决网络间通信问题。其目的是将计算机网络技术
*
收稿日期 : 2010 06 17; 修订日期 : 2010 09 20 通讯地址 : 410073 湖南省长沙市开福区德雅路 109 号并行与分布处理国防科技重点实验室 Address: N at ional Laborat ory f or Parallel and D ist ribut ed Proces sing, 109 Deya R d, K aifu Dist rict, Changsh a, Hun an 410073, P. R . Chin a
[ 1~ 4]
构还是 网络结 构都是 基于 微型环 形谐 振器 结构 ( Ring Resonat or , 如图 1 所示)
[ 5]
。片上系统光源
有片上光源和片外光源之分。在片上集成激光光 源由于工艺等问题目前还处在试验阶段 , 而目前多 采用片外激光光源, 通过光纤或光波导与片上系统 进行耦合。光源的调制分为直接调制和间接调制。 直接调制是对光源进行直接调制使之产生光信号, 间接调制是采用环形谐振器对在片内传输的连续 光进行调制使之产生光信号。下面介绍一下片上 光网络中常用光器件。
2011 年第 33 卷第 4 期 V ol 33, No 4, 2011
文章编号 : 1007 130X( 2011) 04 0056 06
片上光网络: 一种新型片上互连网络 Opt ical Netw ork on Chip: A Novel On Chip Interconnect ion Net w ork
片上光互连的可靠性研究
In order to solve the problem of signal quality degradation caused by thermal effect, the thesis proposes a thermal-aware power allocation model. The model calculates the laser power required by each communication request under different on-chip thermal distribution scenarios to satisfy the minimum SNR requirement in the network. In addition,
商用多核处理器架构................................................................................... 2 光电混合微处理器原型芯片架构............................................................... 5 光存储器系统框图....................................................................................... 6 光交换单元的串扰示意图......................................................................... 11 热效应造成的光功率损耗......................................................................... 15 光交换单元模型......................................................................................... 20 光调制器模型............................................................................................. 21 光电探测器模型......................................................................................... 22 光路由器结构对比..................................................................................... 26 光电路交换通信过程................................................................................. 27 光路由器损耗分析..................................................................................... 28 光路由器损耗对比（λ4）......................................................................... 29 光路由器串扰分析..................................................................................... 30 光路由器 SNR 分析................................................................................... 30 n×n mesh 网络中不同长度的最长连接 .................................................... 31 8×8 mesh 网络中不同链路串扰与 SNR ................................................... 33 CWANoC 与 WDMNoC 信号可靠性对比 ............................................... 34 时隙分配算法伪代码................................................................................. 44 功率波导布局............................................................................................. 45 节点的功率分配顺序................................................................................. 46 片上热分布场景......................................................................................... 47 算法搜索过程............................................................................................. 48 场景 S1 的时隙分配结果与对比 .............................................................. 49 场景 S2 的时隙分配结果与对比 .............................................................. 50 场景 S3 的时隙分配结果与对比 .............................................................. 51 场景 S4 的时隙分配结果与对比 .............................................................. 52 场景 S1 内通信节点对的 SNR.................................................................. 52 场景 S2 内通信节点对的 SNR.................................................................. 53 场景 S3 内通信节点对的 SNR.................................................................. 53 场景 S4 内通信节点对的 SNR.................................................................. 53 场景 S1 内的激光源功率分配结果 .......................................................... 54
空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展
第8卷 第2期2015年4月 中国光学 Chinese Optics Vol.8 No.2 Apr.2015 收稿日期:2014⁃12⁃11;修订日期:2015⁃02⁃13 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61235002,No.61101176,No.11474194),上海市高等院校青年教师培养资助项目(No.ZZSD12014),上海市教委创新团队资助项目文章编号 2095⁃1531(2015)02⁃0227⁃07空间光调制器曲面拼接实现全息三维显示视角拓展曾震湘,郑华东,卢小仟,高洪跃,于瀛洁∗(上海大学精密机械工程系应用光学与检测实验室,上海200072)摘要:本文对多空间光调制器不同拼接方式拓展全息三维再现像视角的方法进行了分析,基于多片空间光调制器拼接拓展视角的思想,利用平面反射镜、分光镜和两片透射式空间光调制器设计了曲面拼接系统,进行了全息三维再现像的视角拓展实验研究。
用该系统对四棱锥物体的层析菲涅尔衍射全息图进行再现,结果表明,总视角由基于单片空间光调制器的1.7°增大到3.2°,即拓展到约1.9倍,分光镜能够消除两片空间光调制器间的间隙,实现无缝拼接。
该方法同样适用于更多空间光调制器的曲面拼接中,可以有效地拓展全息再现像的视场角大小。
关 键 词:全息显示;空间光调制器;曲面拼接;视角拓展中图分类号:O438.1 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20150802.0227Viewing angle enlargement in holographic 3D display by spatial light modulators tiling in curved configurationZENG Zhen⁃xiang,ZHENG Hua⁃dong,LU Xiao⁃qian,GAO Hong⁃yue,YU Ying⁃jie ∗(Laboratory of Applied Optics and Metrology ,Department of Precision MechanicalEngineering ,Shanghai University ,Shanghai 200072,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :yingjieyu@Abstract :In this paper,we analyzed the principles of tiling SLMs to enlarge the viewing angle of holographic3D reconstructions.Based on the idea of tiling multi⁃SLMs,we designed a holographic 3D display system u⁃sing planar mirrors,beam splitters and two transmission⁃type SLMs tiled in curved configuration to enlarge the viewing angle of reconstructed image.We calculated computer⁃generated holograms of a pyramid using slice⁃based Fresnel diffraction algorithm,and reconstructed it with self⁃setup holographic display system.The re⁃sults indicate that,in contrast to 1.7°of viewing angle obtained by a single SLM,the viewing angle of holo⁃graphic reconstructed images is enlarged to 3.2°with 2tiling transmission⁃type SLMs by about 1.9times.Thebeam splitter can remove the gap of two SLMs′active areas to realize seamless tiling.This method is also ap⁃plicable to tile more SLMs in curved configuration and can effectively enlarge the viewing angle of holographic display.Key words:holographic display;spatial light modulators;tiling in curve configuration;viewing angle enlarge⁃ment1 引 言 近年来,三维显示技术越来越受到人们的重视[1⁃4]。
光互连技术的探讨
光互连技术的探讨第13卷第1期电脑开发与应用～光互连技术的探讨StudyOilOpticalInterconnectionTechnology苎德志{)(华中理工大学武汉4§oo4)【摘要】讨论了电互连方式的缺陷以及光互连方式的优点,舟绍了当前光互连的基本情况.运过对一个具体光互连模型的分析,论述了光互连的基本原理及【关键诩AB【1Ur丧兰鸯,电,!丝整圭查Thepaperdiscussesthedisadvantages光学实现技术.最后叙述了光互连模型实现n维超立方的算法.磷两缱ofelectricalintan力ec廿onandadvantagesofopticalinterconnection.andin- troducesthepresent|ybasiceonditionsofoptical_mtercOnr1ection.Basicprin cipleofopticalinterconnectionandopticalimplemema- tiontechniqueareexpoundthroulghanalyzingapracticalopticalintercotmectionmodel.andattheendofpaperhowtoimplementn—dimensionsupercubealgorithmforopticalinterconnectionmodelisdealedwit h.KEYWORDSopticalintereonnection.freespace,n～dimensionsupercube 随着当前信息系统所处理信息的不断增长,人们对处理器的速度和系统吞吐率的需求也在不断增长.这要求人们在两个方面对现有计算机体系结构进行改进:一个方面是不断提高计算机处理单元的速度;另一个方面是采用大规模并行处理的方式,实现系统处理速度的提高和吞吐率的扩大.但这也带来了怎样进行处理器一处理器,处理器一其他模块的互连问题,需要考虑采用什么方式,以什么样的结构进行连接.在高速并行计算机中取代电互连方式解决互连通讯问题的一个可行的方案是采用光互连.光互连采用光作为数据传递媒质,进行互连通讯.光互连方式提供了许多优于电互连的特点,包括:①使用光作为信息传递媒质可以充分利用光所固有的并行性.②光互连方式具有很高的时间,空间带宽.电互连通讯受带宽,电阻,电容,电感等因素限制;而在光互连方式中,通讯的带宽仅由载波频率决定,电子系统的频率为1OMHz—lGHz,可见光的载波频率5×10”I-Iz,相比之下要高得多.③使用光互连方式可以显着地降低”串音”发生.④使用光互连方式可以显着地降低外界电磁场的干扰.⑤光互连方式下数据的传输速度与距离及接受负载无关.⑥使用光互连方式可以不受平面的限制,有效地利用三维空间,实现比电互连方式密度更大,更为复杂的互联网络拓扑结构.⑦在光互连方式下,由于光信号之间不存在相互干扰,且光信号本身失真度小,因而不存在信号失真,时钟扭曲的现象.1光互连的简介目前,在光互连中,光信号的传送主要采取两种方式:波导互连方式和自由空间互连方式.一波导互连方式采用光纤或波导管传送光信号,这与电互连方式下电信号通过信号线传送有些类似.然而不同的是,在光纤或波导管内可以采用波分复用等方式并行地传送多路光信号,完成不同的通讯连接.同时,还可以用光过滤器等一些光学器件进行路由选择. 关于使用波导互连方式进行光互连已有不少学者进行了研究,并提出了不少的互连结构模型,如波分复用的光总线模型,H0RN模型等等.但是,波导方式有其严重的缺陷.波导方式需要为光信号提供物理通路,这些物理通路可以通过使用集成到基板上的光纤或波导管实现,但这种方式带来的主要缺点是相对较低的互连密度,缺乏灵括性,以及相邻波导之间的串音,会产生严重的耦合丢失现象等等.目前许多研究人员的目光转向另一种互连方式枣自由空间光互连.与波导方式不同,自由空间光互连使用自由空间传播信号(此处的自由空间一般指真空),透露和光衍射板是为自由空间光互连提供通信信道的两个典型光学器件.自由空间互连方式非常适用于芯片一芯片,板一板级的互连.这是因为:首先,它能充分利用光的空间带宽和并行性.其次,它不产生相互干扰(因为光可在空间中彼此穿越而不相互干扰)更重要*1999—09—20收到**韩德志,男,1966年12月生,1990年毕业于台肥工业大学,华中理工大学研究生,讲师,研究方向:阿络存储光互连技术舶探讨2000正的是,它不受限于物理通道,因而可以灵活地构成各种拓扑结构的互联网络,有很强的可重构性.此外,由于它可使用简单的光成象方式,功耗小,信号失真度小,结构简单,易于集成.自由空间光互连方式可以根据源节点到目的的节点的通讯模式是否随源节点空间的位置的不同而有差异(这称为”空间可变性”)进行分类,分为空间可变光互连和空间不可变光互连方式.空间可变性程度决定了所实现的网络的复杂度和规整性.如图1所示,完全的空间可变网络通用性极强,可实现任意两个节点的互连,也就是说,通讯的模式可以是任意的.完全的空间不变网络具有如图2所示的极规整的结构,每个节点的连接方式都是一样的.在设计光互联网中,必须对网络互联程度,实现复杂度以及网络规整程度之间进行折衷空间不变网络可以用象透镜,镜面,衍射板这样简单的光学器件方便且高教地实现;而空间可变互联网络则需要复杂的光学实现方式,因而导致较低的密度和较高的实现代价图1空间可变光互连图2空阃不变光互连2一个具体光互连模型的分析2.1模型的原理及特点简介美国的ArizonaTucson大学的AhmedLouri所提出的模型如图3所示,它包含两个置于平面板上,面对面地排列着的二维PE阵列.一个光互连模块OIM (OpticalI~xterconnectModule)位于这两个平板之间OIM在板之问提供空间不变连接.该模型将网络中的PEs划分为两个同样大小的集合,在同一个平板(集合)上的任意两上PE之间均不存在直接互联.该模型有光源和检测器的图3AhmedLouri的空间不变光互连模型基于平面化的PE阵列构造而成,并且是空间不变的. 可用简单,高教的光学方式实现.每一个板上都含有多个电子处理单元(PE),每一个PE都含有集成于其上的光源和光检测器.所有PE间连接均由通过与PE阵列平面相垂直的第三维度的自由空间光实现.与使用电互连时被限制在二维电路板上相比,这使电路设计者在进行三维方案设计时有更大的灵活性.此外,该模型将:①更好地利用光映象系统中的空间带宽SBWP;②充分利用自由空间光的并行性;③能够更加廉价高教,因为所有射向器件平面的光线都使用同一套成象及光线控制元件进行互连,因而光器件的费用为大量的阵列元件所分担;④与目前在精简,2维光逻辑开关及光一电集成电器技术的进步相适应}⑤为设计更快的并行处理算法提供了新的可能性.该模型包含三种光元件:光源,光检测器以及光互连模块0IM.光源可以是直接调制的半导体激光器,发光二极管或是垂直空穴表面发射激光器另外,一个配合外部光源使用的调制器也可作为光源.该调制器可毗是电光型,吸收型,反射型器件,或者是一个空间光调制器(如白光电效应器件sEED).检测器通常由光电二极管或光电导体构成,并联接到一个偏压,放大电路.由于一个节点至少有一个光源,一个检测器,并有一定的计算处理能力,该节点可作为一个”智能点实现,”智能点”是光电数字处理单元的混合体,它具有三个空间上分开的功能单元:一个或多个光检测器,用以将光输入转换成电信号;一个处理单元,处理所接收信号;还有一个单元用于将电输出转换为光信号.模型中的OIM器件从源平面上接收到图象,产生M幅图象,这M幅图象同时落在另一个接受平面上, 在接受平面上的落点由所需的互连模式决定.由于希望系统是空间不变的,所有的光源都有相同的连接模式.OIM所确定的连结模式决定了互联网络的拓扑结构.为了描述0IM的功能.定义术语”连接规则”为行方向(上或下)或列方向(左或右)的空间移动,这种移动用来实现所需的互联拓扑结构.因此,每一种网络的互联规则包含两个条目:行(row)和列(co1).例如,一个互联规则象(行(row)=土1,列(co1)一土1)表明为实现这样一个给定的网络,每个平面要被映成4个象,每个象如下进行移动:对于行一+1,相应的象向上移一行; 同样,行一一1表明,象向下移动一行;列=+1表明象向右移动一列,列一一1表明向左移动一列.在同一方面上可能需要几种不同的移动,这用逗号表明.例如,一个互联规则可写为:行=士1,士3,列=土1,土3,这需第13卷第1期电脑开发与应用要产生8幅象.这些象根据所指明的位置进行偏移,经过偏移的象同时落在接收面,便可实现所需的连接. 应注意到OIM的多重象产生和空间偏移功能可以使用光线劈分器件或扇出元件(如光衍射器件)实现.光偏移的数量取决于发送光线的角度.偏移象落在接收平面的落点,决定了由IOM实现的拓扑结构. 显然,在互联网络速度最快的拓扑结构是交叉结构(Crossbar),它使系统中从一个PE到另一个PE的通讯仅用一步就可到达.现在的并行计算机中两种最流行的点到点互联网络是2元H—Cube(亦称超立方结构)以及网孔互联网络.在一个2元一Cube(指的是2元—Cube的维数),相应于维度有2个结点,这里的每个结点的“度”是指直接连于其上的节点个数.超立方结构的吸引人之处在于它的”直径”(“直径”是指在任定两个结点之间传递消息所需的最大跳数)较小,对于一个2元一Cube网络来说,直径就等于节点的”度”数.在2元一Cube中每个节点以这样的方式进行编号:一个节点和与相邻的个邻居间只有一位二进制数位的不同.这一特性使在网络中寻径变得方便.而且,这种规整,对称的网络结构具有容错性.第二种被广泛研究的互联网是网孔网络.网孔网络具有连结简单规整且单个结点的连接数量较多,易于实现等优点.由于结点的度固定,因而与超立方网相比,网络网更具有可扩展性.2.2空AhmedLouri等人提出的空间不变光互连模型,在具体实现中采用光衍射技术,使用所谓的二相光栅(BinaryPhaseGrating)实现.二相光栅(BPG)是衍射光栅一种,之所以称为二元是因为调幅度送出仅有两级70或1.由于衍射,发射到二相光栅上的光线从光栅出来后4,21.(另外还有一个光栅,与图中的光栅线成90度,在本图中未画出).由于连接方式是完全空间不变的,单一衍射方式便可提供所有连接.根据5一Cube的连接规则,我们需要一束直的光线和8束偏移的衍射光线.由于该图仅为2维侧视图,只画出了直的和4束衍射光线,第0号光线代表节点5到节点4的通讯,1号相应于节点5到节点21,一1号相应于节点5到节点1.士3号光线落在PlaneR之外,被忽略了.3用空间不变光互连模型实现5Cube的算法目前,可以用多种方法实现5一Cube互联网.其中最有前途的是用空问不变光互连模型实现.下面介绍其算法如下:步骤1:给定一个空间不变的一1一Cube的左平面PlaneL和右平面PlaneR,根据是奇或偶,在为n--A偶数时,将每个平面向左转动如下列数:足()一2.,当为奇数时,将每个平面向上转动如下行数:R,)一2.步骤2:若为偶数,则旋转后的平面被置于原一1)一Cube中相对的平面的右侧;若为奇数,则被置于下侧.在旋转过程中,(一1)一Cube平面上已存在的空行,空列不记在内.我们在两个平面(原平面和旋转所得平面)之问插入如下数量的空行或空列:当n为偶数时:)一2+∑et(2i+4);当为奇数时,￡r)一2孚l二+(2i+5)￡u一.被定义为0,须注意到插入位?8?(总lo)光互连技术的探讨2000年(上接第4页)EndSubFunctionImageType(strFileNameAs String)AsString返回文件的扩展名OnErrorGoTolmageTypeErr DimintPointAsInteger DimstrFileTypeAsStringintPoint=InStr(strFⅡeName,”.)寻找圆点.IfintPoint=0ThenstrFileType=ElsestrF’fleType=/did(strFileNalTl~,intPoint+1,3)ErIdHImageType=UCase(strFileType)ExitFunctionImageTypeErr:MsgBoxError$,16ImageType=EndFunctionSublmageUpdate()更新修改后的图象信息onErrorGoToIrrmgeUpdateErr DimstrFindAsStringstrFind=Title&TxtTme& Data1.cordset.EditData1.Recordset.UpdateData].Refresh~dset.FindFirststrFind ExitSubImageUpdateErr:MsgBoxError$,16EndSub PrivateSubCmdBm—Click(IndexAs Integer)执行用户选择的功能sekCtCaseIndexCase0更新ImageUpdateCase1增加ImageAddCase2删除ImageRemoveCase3复制ImageCopyCase4存盘ImageBaveCase5退出UrdoadMeEndSelectEndSub PrivateSubFormLoad() OnErrorGoToFormLoadEff 初始化TxtTitle=LblFileName一LblType:”TxtDescription=htThle.DataField一Title”设置DataField属性LbIFileName.DataField=File NameLblType.DataField=FileType”TxtDescription.DataField一”flCl”iptionImglten~DataField=.Image”Data1.DambaseName:App.Path&”“~IragFile.mdb打开数据库Data1.Record,Source=Images Data1.RefreshExitSubFormLoadErr!MsgBoxError$,16EndSub参考文献lMichaelCAmundsen.ImageinVB. ImideViSlla1BasicforWindows. 1997.2.2顾铁成译.VisualBasic4用户使用指南.北京t科学出版社,1996。
Torus结构的芯片上光互连网络损耗分析和优化
Torus结构的芯片上光互连网络损耗分析和优化
赵巍仑;何娟;牛伟;杨逐;谢军;张琪琦;龚元洁;王勇;解宜原
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2014(31)2
【摘要】基于硅基波导、十字状波导交叉和基于波导微环的光交换器件的损耗特性,对Torus结构的芯片上光互连网络建立了损耗模型,利用该模型来对芯片上光互连网络进行光器件级、光路由器级和网络级的损耗特性分析,同时建立芯片上光互连网络损耗自动分析系统.依据该系统可以得到不同网络规模下的最大损耗,并分别分析了基于Crossbar、Cygnus和Crux路由器的torus结构网络的损耗特性.传输损耗随着网络规模的扩展而增加,最小的传输损耗出现在M=N时.同时,可以得到采用Crux路由器构成的芯片上光互连网络的传输损耗最小,小于Cygnus构成的芯片上光互连网络约5 dB.
【总页数】7页(P245-251)
【关键词】光通信;光交换器;芯片上光互连网络;损耗;路由器;Torus结构网络
【作者】赵巍仑;何娟;牛伟;杨逐;谢军;张琪琦;龚元洁;王勇;解宜原
【作者单位】西南大学电子信息工程学院;中国电子科技集团公司第26研究所;重庆师范大学教育科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN384
【相关文献】
1.多芯片组件带网孔接地板多导体互连线结构的电磁特性分析 [J], 薛志勇;李征帆
2.基于交叉开关结构的片上光互连网络研究 [J], 王正宇;顾华玺
3.树状结构多芯片组件互连网络延迟的研究 [J], 来金梅;林争辉;李珂
4.一种新型混合互连网络拓扑结构的分析与优化 [J], 杨明英;雷斐;董德尊;沈胜宇;庞征斌
5.片上光互联网络损耗分析 [J], 张曙光
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三维片上网络中torus与mesh拓扑结构的性能评估
图 １ ２ Ｄ、 ３ Ｄｍ ｅ ｓ ｈ 结构与 ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ结构示意图
２ 数学分析
２． １ 平均跳数分析 这里跳数指数据包走最短路径时到达目的节点 所需的跳数 。 平均跳数公式为
Ｈ＝
Ｈ （
（ ， ） ｉ ｊ
ｉ ｊ
， ×Ｐ ｉ ｊ）
（） １
， 其中 （ 表示不同的源节点 、 目的节点对 ， ｉ Ｈｉ ｊ） ｊ 表示 源节点ｉ 向 目 的 节 点ｊ 发 送 数 据 包 时 所 需 要 的 跳 数， Ｐ ｉ ｊ 表 示 源 节 点ｉ 向 目 的 节 点ｊ 发 送 数 据 包 的 概率 。 在３ 当源 节 点 等 概 率 地 向 各 资 Ｄｔ ｏ ｒ ｕ ｓ结构中 ， 源节点 （ 包括源节点 ） 发 送 数 据 包， 且源节点向自身 发 送 数 据 包 时 的 跳 数 记 为 ０ 时， 所需的平均跳
１ １］ 数为 ［
张媛媛 ，等 ： 三维片上网络中 ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ与 ｍ ｅ ｓ ｈ 拓扑结构的性能评估
１ ７ ７ ９
Ｘ ｉ １ （ ） ． ２ ４ Ｘ ｉ ｉ ＝１ 其中 ： 为 第ｉ 维 上 交 换 节 点 的 数 目 ； Ｘ ｉ ＝１， ２， ３） ｉ（ 表示向下取整 。 ′ Ｈ ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ ＝
来三维集成电路的互连问题 。 在３ 拓 扑 结 构 的 选 择 至 关 重 要。本 ＤＮ ｏ Ｃ 中， 文主要对 Ｎ ｏ Ｃ的两种常见拓扑结构（ ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ结 构 和 在３ ｍ ｅ ｓ ｈ 结构 ） ＤＮ ｏ Ｃ 中的通信性能和面积 进行评 估， 从而 为 片 上 网 络 设 计 者 提 供 拓 扑 结 构 的 选 择 依据 。 本文首先对 ３ ＤＮ ｏ Ｃ 中的 ｔ ｏ ｒ ｕ ｓ结构 、ｍ ｅ ｓ ｈ结 构在均匀流量下采 用 维 序 路 由 时 的 平 均 跳 数 、 平均 吞吐量进 行 了 数 学 分 析 ；然 后 搭 建 仿 真 平 台 延时 、 对两种 ３ 基 ＤＮ ｏ Ｃ 拓 扑 结 构 进 行 仿 真 验 证 ；最 后 ， 于Ｆ Ｐ ＧＡ 实现了 上 述 两 种 拓 扑 结 构 的 路 由 节 点 并 对其面积进行了比较 。
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2 3D 片上光互连网络
传统的片上互连网络主要采用点对点和基于总
线结构， 已经难以适应片上多核计算网络的发展需
求，片上光学网络(optical network on-chip,ONOC)成 为
(a) IBM 片内光互连结构
(b) 片上光互连过程框图
图 4 IBM 片内光互连结构和光互连过程框图
以上结构主要是将所有 IP 核和光波导 开关网络 独立置于一层，除此之外也可以将核和光器件置于各 层， 再将多层叠加构成 3D 互连结构， 如图 5 所示的 3D Mesh 结构 。 这两种 3D 片上互连结构各有优势，前 者结构清晰， 容易布局和 维护， 但互连的核心较多 时占用的表面积将很大和 互连距离增加； 后者具有 较高的集成密度和较短的 互连距离， 但光波导开关 设计的复杂度和难度较 大。这两种结构作为 3D 光 互连的基础结构， 是最近 片上光互连研究的重点。 图 5 3D Mesh 片上光互连结构
微环谐振器不起耦合作用。 通过多个 2×2 光开关单元 和配置相应的微环谐振波长，可以实现 N×N 的光交换 开关矩阵，2×2 光开关单元如图 1(b)所示。 微环谐振器 的结构简单，体积小，适合于大规模集成的要求，同时 与半导体的制作工艺兼容，因而可与硅基波导组合作 为片内光互连路由器的基础元件。
设计合理的开关、路由结构以及路由算法，尽可能减
少网络所需的器件和互连距离，以减少不必要的功耗
和简化网络布局，提高互连的性能。
光器件
表 1 4×4 光开关矩阵路由分配
吴华炳，陈舜儿，刘伟平：3D 片上光互连网络研究
O1
O2
O3
O4
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非谐振
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非谐振
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非谐振
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I4
行 OCS 和 OPS， 具 有 低 延 迟 和 高 吞 吐 率 的 优 点 ；
Hale Waihona Puke DMesh 结构的交叉波导节点数量相比 Mesh 结构减少
至 20%， 且具有较低损耗， 非常有利于大规模集成；
TDOIN 属于光电混合互连网络结构，相比二维光互连
网络可减少网络信号线长度，具有可扩展性，满足高
性能计算系统的要求。 因此，光互连网络主要是通过
子 材 料 ，因 而 可 在 硅 基 CMOS 电 路 的 基 础 上 ，集 成 与 工艺兼容的光学器件，实现片上核心间和芯片间的互 连。 同时，应用最新的 3D 集成技术可提高互连密度、 缩短互连距离和降低功耗，3D 片上光互连网络是未来 的发展趋势。
1 片上光互连技术优势及其关键器件
1.1 片上光互连优势 当前的高性能计算系统，往往需要将多个核心或
非谐振
λ1
λ3
λ2
2.3 3D 片上光互连网络结构 目前， 片上光互连主要采用光电混合互连方式，
这得益于光器件和现有的 CMOS 工艺兼容，因而可在 互连网络结构中采用成熟的半导体集成技术，在 CMOS 层上集成光器件，构建光电混合互连结构，如图 3 所示[12]。 该结构是用电控制层控制光信 号在光传输 层的传输，其中光传输层可由前面两节提到的开关网 络构成，这两层的结合起到路由作用，并充分发挥了 光通信的超高宽带、低功耗和电学信号易于控制的优 点。 光电混合互连结构主要是 3D 结构，3D 互连结构 采用多层 2D 结构堆叠而成， 这可减少互连线的长度 和规模，降低能耗和提高芯片内部的集成密度，从而 提高芯片性能。
0 引言
当前，云计算和大数据的应用已成为热点，处理 器芯片也已朝多核心和高集成度方向发展， 芯片之 间、 芯片内各核心之间的数据传输要求更高的带宽、 速率和更低的功耗，具有严重串扰、RC 时延和功耗高 等缺点的传统金属线电互连，已经成为片上互连的瓶 颈[1，2]。 相比之下，光互连技术采用波导方式传输数据， 具有损耗低、速度快和延迟小的优点，采用 WDM 技术 还可以大幅提升互连的带宽密度，可有效解决上述瓶 颈问题，是未来片上互连的应用趋势。 片上光互连本 质就是硅集成电路 IC 芯片之间以及芯片内部的数字 光通信[3]，硅基集成技术是其发展的坚厚基础。 这得益 于作为集成电路基本原料的硅既是电子材料也是光
off 两种状态。 当处于 on 状态时，光波长与微环谐振波
长一致的光信号被微环耦合偏转 90°从下载端波导输
出（如图 1(a)虚线所示），其 它波长的光 信号则沿着 原
波导传输（如图 1(a)实线所示）；当微环谐振器处于 off
状态时，所有波长的光信号沿着原波导传输，即此时
②
2014 年第 6 期
多个芯片互连，进行并行计算，要求具有超高的传输 速度和带宽，因此，而有众多弊端的传统电互连已成 为互连瓶颈。 光互连技术有着超高的通信带宽和极小 的传输损耗，是理想的片上互连方案，其具有的优势 有[4]：复 用 能 力 强 与 高 带 宽 ；高 传 输 速 率 与 低 延 迟 ；低 传输损耗与低功耗；无串扰与抗电磁干扰。
光器件
中文核心期刊
3D 片上光互连网络研究（本期优秀论文）
吴华炳 １，陈舜儿 １，刘伟平 １，２
（1.暨南大学 电子工程系，广州 510632；2.中山新诺科技有限公司，广东 中山 528437）
摘要：介绍了片上光互连的优势及其几个重要器件，并分析其网络的基本单元、开关网络结构和 ３Ｄ 互连 结构，提出了现阶段最主要的技术问题及其未来研究方向集中在片内光源的研制和片外光源耦合、互连 网络功耗和温度的控制、互连网络结构和路由算法的优化三方面。 关键词：片上光互连；３Ｄ；光互连网络；微环谐振器；高速数据传输 中图分类号：TN491；TN929.1 文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2014）06-0001-04
2. Zhongshan Aiscent Technologies Ltd,Zhongshan Guangdong 528437,China)
Abstract: The advantages of the on-chip optical interconnect and its several important components are introduced.The basic unit of the on-chip optical interconnection network, structure of switching network and three-dimensional on-chip optical interconnection are analyzed. Moreover, the present stage the main technical problems and future research direction of optical interconnection network are proposed ,which are mainly concentrated in the design of the light source inside and coupling of outside light, the power consumption and temperature control, optimizing the interconnection network structure and routing algorithm. Key words:on-chip optical interconnect; 3D;on-chip interconnection network; microring resonator;high speed data transmission
图 1 微环开关基本结构
2.2 片上光交换开关网络结构
在片上光互连网络中，现阶段普遍使用 2×2 的基
本开关单元实现 N×N 的路由开关矩阵，如图 2 为 4×4
的非阻塞交叉型开关矩阵。 图 2 中，每一列的微环谐
振器的谐振波长相同，均
为 λi， 该开关矩 阵的路由 分配如表 1 所示[8]。 比较图
②易于光电集成。 硅基光子器件与 CMOS 工艺兼 容，可实现大规模单片光电器件集成。 光子和微电子 回路的集成与封装也可以应用微电子中成熟的引线 压焊和倒装焊等技术。 1.2 片上光互连关键器件
构成片上光互连系统的基本器件包括： 光源、高 速 电 光 调 制 器 、光 波 导 、光 开 关 、 滤 波 器 、 波 分 复 用/解 复用器和高速光探测器等，其中光源、光波导和光开 关是互连网络中的重要器件。
DOI:10.13921/ki.issn1002-5561.2014.06.001
Study of 3D on-chip optical interconnection network
WU Hua-bing 1 ,CHEN Shun-er 1 ,LIU Wei-ping 1,2 (1.Department of Electronic and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China;
此外，硅作为光子学材料应用于片上光互连具备 以下优势[5]：
2014 年第 6 期
①
光器件
吴华炳，陈舜儿，刘伟平：3D 片上光互连网络研究
①与 CMOS 集成工艺兼容。 Si 基波导可以利用现 有成熟的 CMOS 微电子技术集成工艺制作 ，无须研发 新的集成工艺，极大地降低光子器件与芯片集成的制 作成本和时间。
1 和图 2 可知，当端口数目
增加时， 交叉型开关结构
所需的微环数目随之以几 何方式增长， 这意味着互 连网络的功耗也随之增