片上光网络_一种新型片上互连网络_计永兴

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光技术背景
片上光网络 ONo C 在光通路, 无论是总线结
报文交换所必须的。目前基于环形谐振器的硅光 调制器速率可以 达到 12. 5Gbps , 同时 SiGe 探 测器已经被报道并正在进行商业化[ 6] 。 57
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其余的 N - 1 个通道进行写操作。当一个节点向
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片上光网络 ONoC 的 Bus 结构
图 1 环形谐振器 [ 7]
2. 1
光开关
互连网络中的光开关的功耗和交换速率与所交换 的数据报文的位速率是无关的。这是因为 , 光开关 只有在进行状态切换的时候才会产生功耗 , 而一个 报文在正常传输的时候 , 在光开关上基本没有功耗 产生, 光信号只是从光开关上经过。而光开关状态 的切换是在相邻报文间进行 , 因此在以光开关构成 的光互连网络中, 功耗与报文的位速率是无关的。 目前基于硅基技术的发展基本趋于成熟, 硅基 高速电光调制器 、 硅基激光器和 SiGe 光电探测 [ 6] 器 等都取得了突破性进展。基于 CM OS 集成调 制器、 激光器、 光波导以及光电探测器的芯片间通 信技术 已经被报道并且正被商业化。因此 , 在单 晶硅上用 VL SI 技术集成光器件 ( 调制器、 光波导、 探测器、 光开关) 已经可行。 片上光网络 ONoC 最早提出于 2006 年, 用于 解决片内和片间通信的功耗问题 , 是纳米级别 的光互连网络。目前 , 片上光网络 ONoC 的主要 研究集中在功耗、 性能、 延迟以及可靠性 等领域。 由于目前无法进行光存储和光信息的处理 , 片上光 网络 ON oC 采用 了光 电混合 的方 式实 现片内 通 信。片上光网络 ONoC 的研究主要在基于总线技 术和网络结构技术方面。
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移植到芯片设计中来, 从体系结构上彻底解决总线 架构带来的问题。目前随着电路集成度和工作频 率的提高, 芯片上互连线的寄生效应如寄生电容、 延迟时间、 信号串扰等问题变得十分显著。在功耗 受限情况下 , 芯片的性能功 耗比将会变得 特别尖 锐 。当集成电路工作频率迅速提高至几 GH z 甚至更高时, 常规电互连将无法高效地传输信号。 因此, 需要一种新的互连方式。光互连作为一种潜 在的互连方法 , 具有许多电介质不可比拟的优点。 光波在高速传递和处理时具有传输带宽高、 信号间 延迟低、 光损耗低、 抗干扰等优点。基于这种优势, 提出了片上光网络 ( Optical N et w ork on Chip, 简 称 ONoC) 。 在传统的片上网络 N oC 中 , 报文传输、 存储和 交换所产生的功耗是随着数据传输速率的增加而 成平方增长的。而在片上光网络中, 当光链路建立 后 , 报文传输不再需要存 储、 中继等 , 其功耗非常 低。同时, 在片上光网 络 ON oC 中有一个 很好的 性质 位速率透明性 ( Bit Rat e T ranspar ency ) , 即
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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
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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
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在硅基十字交叉两侧置两个环形谐振器, 其原 理是: 环形波导能很好 地将光信号限 制在其内传 播。当有光信号泵浦到环形波导区域中时, 会使该 区域的折射率ຫໍສະໝຸດ Baidu生变化。当环形波导的折射率变 换到一定数值时 , 环形波导的周长恰好为光信号波 导波长的整数倍时, 环形波导与线性波导之间发生 强耦合关系 , 光信号的大部分能量将由一个波导转 移到另一个波导中 , 从而实现光传输路线的改变。 基于环形谐振器的光开关具有如下优点 : ( 1) 状态 切换时间短 , 仅为 30ps。 ( 2) 占用的芯片面积小, 当前工艺水平下的环形谐振器的直径小于 10 m 。 ( 3) 处于 OF F 状态时, 环形谐振器几 乎不消耗能 量 , 如同一个无源器件 ; 处于 ON 状态, 环形谐振器 的功能不到 0. 5m W 。( 4) 良好的抗 串扰属性 ( > 20dB) , 低插入损耗 ( 约 1. 5dB ) 。 2. 2 传输介质 传统的片上网络中, 互连介质为铜导线; 而在 片内光互连网络中, 传输介质采用低损耗的光波导 介质进行通信, 而在片间通信时采用的传输介质为 光纤或光波导。 2. 3 光 电( O E) / 电 光 ( E O) 转换器 在片上 光网络中 , 光 电/ 电 光转换器 是实现
性能的需求, 需要一种新的互连方式 , 因此光互连网络技术应运而生。目前, 电互连的片上网络在功耗 、 性 能、 带宽 、 延迟等方面遇到了瓶颈 , 而光互连作为一种新的互连方式引用到片上网络具有低损耗 、 高吞吐 率、 低延迟等无可比拟的优势。 本文主要探讨了片上光网络的研究趋势和发展方向, 并对目前主要对基于 总线结构和 T orus 结构的片上光网络进行了分析和比较, 主要集中在拓扑结构 、 路由算法以及流控机制 等方面 。本文最后对片上光网络与 3D 技术结合以及全光片上互连网络的未来发展前景进行了探讨 。 Abstract: As t he number o f pro cessing cores that are int egrat ed int o a chip mult iprocesso rs ( CM P) continues t o g row , the t radit io nal elect ric int erconnection cannot meet t he demands on interconnect ion net w or ks . T heref ore, t he t echnolog y of opt ical int erconnect io n is bro ug ht f orw ard. At present, the elec t rical interconnect ion net w ork on chip encounters a bo tt leneck in pow er , perf orm ance, bandw idt h and lat ency, and optical interconnect is int roduced int o netw o rk on chip as a new w ay of int erco nnect ion , w hich has incomparable advantag es for low pow er dissipat ion, high thro ug hput and low lat ency . T his pa per int roduces the evolut ion of o pt ical netw o rks on chip, and compares t he bus based archit ect ur e t o to rus net w orks and analy ses t he t opolo gical conf ig ur at ion, routing algo rithms and f low cont rol of Opt ical Net w ork on Chip( ONo C) . Finally, the pro spect of t he com bination of the opt ical netw or k on chip and 3D t echno logy , and all optical net w ork on chip are also discussed. 关键词: 片上网络 ; 片上光网络; 环形谐振腔 ; 位速率透明性; 光开关 Key words: NoC; ONoC; r ing reso nat or; bit rat e t ransparency; PSE doi: 10. 3969/ j. issn. 1007 130X. 2011. 04. 011 中图分类号: T N402 文献标识码 : A 共享总 线结构已经无 法满足片上系 统 So C( Sys
计永兴 , 钱 悦, 崔大为 , 窦文华 JI Yong xing, QIAN Yue, CUI Da wei, DOU Wen hua ( 并行与分布处理国防科技重点实验室 , 湖南 长沙 410073)
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( National Laboratory for Paral lel and Distributed Processing, Changsha 410073, China) 摘 要: 随着单个芯片上集成的处理器的个数越来越多, 传统的电互连网络已经无法满足对互连网络
片上光网络 ONoC 的 Bus 结构是采用光总线
任意一个节点发送报文时 , 该节点向目的节点的专 属通道写入消息 , 目的节点只对专属自己的通道进 行监听。
进行全局的互连和采用电互连进行局部互连的混 合互连结构。混合互连结构首先在全局互连中 , 光 总线互连可以降 低电互连中存 在的延时问题 ; 其 次 , 在局部互连中采用电互连比采用光互连具有很 大的灵活性。混合互连网络结构可以极大地提高 片上网络的吞吐率、 性能功耗比等等。 3. 1 体系结构 Bus 结构的片上光网络 是通过局部的电 互连 Clust er 中每一个节点, 而光总线连接每一个 Clust er, 如图 2 所示。图中 C x Ry 表示 Clust er 为 x 中第 y 个路由 , 每个 Clust er 内部路由之间进行 电互连通信, 而 Clust er 之间进行光互连通信。
[ 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。
CN 43 1258/ T P ISSN 1007 130X
计算机工程与科学
CO M PU T ER ENG IN EERI NG & SCIENCE
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
图 3 基于总线实现光通信的模式
[ 11~ 13]
3. 2
路由和流控机制 在总线结构中, 路由包含两个步骤: Clust er 内
部路由 和光链路 上传输。 Clust er 内 部路由 如图 2b 所示 , 报文的路由可以在源 Clust er 中进行亦可 在目的 Clust er 中 进行。对 于在 源 Clust er 中进 行 , 报文从 C0R0 传输到 C0R3。然后, 报文经过光 总线传输到目的节点 C5R3 中。若采用目的 Clus t er 中路由 , 则报文从源节点 C0R0 经过光总线传 输到目的 Cluster 的 C5R0, 然后进电 路由传输到 目的节点 C5R3 。 总线结构采用基于 Credit 的流控机制。无论 在局部的电互连通路还是在全局的光通路都采用 基于 Credit 的 流控, 保证 报文不会丢失。一旦报 文切片准备好发送则 Credit 就会减少 , 同时给上 一个路由返回一个 Credit。