3D片上光互连网络研究_本期优秀论文_吴华炳
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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。
1 和图 2 可知，当端口数目
ห้องสมุดไป่ตู้
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
图 2 4×4 非阻塞交叉型 光开关矩阵
加。 因此，光开关结构对互连网络的整体功耗和性能
尤 为 重 要 ， 国 内 对 此 做 了 许 多 研 究 工 作 ， 其 中 文 献 [9~
11]分 别 设 计 了 光 电 交 换 (OCS) 与 光 分 组 交 换 (OPS) 混 合
路由器[9]、对角互连拓扑结构(DMesh)[10]和 3D 互连结构
(TDOIN)[11]，并提出相关路由算法。 通过仿真分析表明，
OCS 与 OPS 混 合 路 由 器 采 用 WDM 技 术 同 时 协 调 进
解决高性能计算系统互连网络的有效方案，也是目前
光互连的集中研究对象。 此外，3D 集成技术最近得到
极大的发展， 将这一新技术与光互连结合构成 3D 片
上光互连网络将是未来发展方向。
2.1 片上光交换网络基本单元
片上光交换主要通过微环谐振器作为基本开关 元件进行，其结构如图 1(a)所示[7]。 微环谐振器有 on 和
图 3 光电混合互连基本结构
相似地，图 4(a)是 IBM 近年来提出的用未来 22nm CMOS 工艺实现的 3D 片内光互连超级芯片的结构图， 由下到上依次是逻辑层、存储层和光子层[13]。 逻辑层包 含 36 个芯片(共 300 个核)和逻辑控制电路；存储层为 30Gbits 的 DRAM；光 子层为片上 光互连网 络，负责将 各核互连和对数据流进行路由。 片内光互连的整个过 程如图 4(b)所示。 光源通过逻辑层的发射端驱动，经过 调制后将电信号转化为光信号，光信号通过置于顶层 的光波导和光开关传递到另一端的逻辑层接收端的 光解调器，后者将光信号复原电信号并传递给接收端 的 IP 核。 该结构采用波分复用技术，具有非常高的传 输带宽，且通过三维集成用片内的光互连层把微处理 器互连 起来，可以减 小 98%的 功 耗 ，大 大 提 高 多 核 芯 片的性能。
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。
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
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
I1
λ2
λ3
λ1
非谐振
I2
λ3
λ4
非谐振
λ1
I3
λ1
非谐振
λ4
λ3
I4
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
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。
(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
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。
行 OCS 和 OPS， 具 有 低 延 迟 和 高 吞 吐 率 的 优 点 ；
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
收 稿 日 期 ：2014-01-22 。 基 金 项 目 ：广 东 省 教 育 部 产 学 研 重 点 项 目 (No. 2012B091000155)资 助 ； 广东省战略新兴产业项目(No. 2011912027) 资助。 作 者 简 介 ：吴 华 炳 （1988-），男 ，硕 士 生,主 要 研 究 方 向 为 光 电 子 与 光 通 信。
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
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
DOI:10.13921/j.cnki.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;
③光开关。 光开关用于实现光信号的通断和路 由，以及网络的拓扑，其主要由微环谐振器构成。 光开 关的响应速度和功耗开销决定性地影响光互连的数 据通信速度和整体功耗。
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
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
①光源。 片上光互连可以采用 Si 基光源或是引入 外来光源，采用 Si 基激光方案可以在片内直接调制而 省去耦合以及减少封装体积[3]。 片上光互连需 要的是 电泵浦的微型激光器，但目前这种光源仍处于研制阶 段。
②光波导。 波导是集成光子学的基石，用于片上 光互连的波导需要满足以下条件[6]：较小的损耗；较 小 的截面尺寸和较小的弯曲半径；单模工作；与硅工艺 或 CMOS 工艺兼容。
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。
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。
1 和图 2 可知，当端口数目
ห้องสมุดไป่ตู้
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
图 2 4×4 非阻塞交叉型 光开关矩阵
加。 因此，光开关结构对互连网络的整体功耗和性能
尤 为 重 要 ， 国 内 对 此 做 了 许 多 研 究 工 作 ， 其 中 文 献 [9~
11]分 别 设 计 了 光 电 交 换 (OCS) 与 光 分 组 交 换 (OPS) 混 合
路由器[9]、对角互连拓扑结构(DMesh)[10]和 3D 互连结构
(TDOIN)[11]，并提出相关路由算法。 通过仿真分析表明，
OCS 与 OPS 混 合 路 由 器 采 用 WDM 技 术 同 时 协 调 进
解决高性能计算系统互连网络的有效方案，也是目前
光互连的集中研究对象。 此外，3D 集成技术最近得到
极大的发展， 将这一新技术与光互连结合构成 3D 片
上光互连网络将是未来发展方向。
2.1 片上光交换网络基本单元
片上光交换主要通过微环谐振器作为基本开关 元件进行，其结构如图 1(a)所示[7]。 微环谐振器有 on 和
图 3 光电混合互连基本结构
相似地，图 4(a)是 IBM 近年来提出的用未来 22nm CMOS 工艺实现的 3D 片内光互连超级芯片的结构图， 由下到上依次是逻辑层、存储层和光子层[13]。 逻辑层包 含 36 个芯片(共 300 个核)和逻辑控制电路；存储层为 30Gbits 的 DRAM；光 子层为片上 光互连网 络，负责将 各核互连和对数据流进行路由。 片内光互连的整个过 程如图 4(b)所示。 光源通过逻辑层的发射端驱动，经过 调制后将电信号转化为光信号，光信号通过置于顶层 的光波导和光开关传递到另一端的逻辑层接收端的 光解调器，后者将光信号复原电信号并传递给接收端 的 IP 核。 该结构采用波分复用技术，具有非常高的传 输带宽，且通过三维集成用片内的光互连层把微处理 器互连 起来，可以减 小 98%的 功 耗 ，大 大 提 高 多 核 芯 片的性能。
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。
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
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
I1
λ2
λ3
λ1
非谐振
I2
λ3
λ4
非谐振
λ1
I3
λ1
非谐振
λ4
λ3
I4
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
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。
(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
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。
行 OCS 和 OPS， 具 有 低 延 迟 和 高 吞 吐 率 的 优 点 ；
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
收 稿 日 期 ：2014-01-22 。 基 金 项 目 ：广 东 省 教 育 部 产 学 研 重 点 项 目 (No. 2012B091000155)资 助 ； 广东省战略新兴产业项目(No. 2011912027) 资助。 作 者 简 介 ：吴 华 炳 （1988-），男 ，硕 士 生,主 要 研 究 方 向 为 光 电 子 与 光 通 信。
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
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
DOI:10.13921/j.cnki.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;
③光开关。 光开关用于实现光信号的通断和路 由，以及网络的拓扑，其主要由微环谐振器构成。 光开 关的响应速度和功耗开销决定性地影响光互连的数 据通信速度和整体功耗。
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
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
①光源。 片上光互连可以采用 Si 基光源或是引入 外来光源，采用 Si 基激光方案可以在片内直接调制而 省去耦合以及减少封装体积[3]。 片上光互连需 要的是 电泵浦的微型激光器，但目前这种光源仍处于研制阶 段。
②光波导。 波导是集成光子学的基石，用于片上 光互连的波导需要满足以下条件[6]：较小的损耗；较 小 的截面尺寸和较小的弯曲半径；单模工作；与硅工艺 或 CMOS 工艺兼容。
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。