片上光互联网络损耗分析

片上光互联网络损耗分析

作者：张曙光

来源：《科技视界》2019年第17期

【摘要】光互联具有低损耗、高吞吐率、低延迟等无可比拟的优势，但由于光互联技术面临光缓存和光处理两大障碍，因此有机地结合电互联网络是当前发展的主要趋势。本文主要介绍了三种最近几年新提出的片上光电混合网络结构：Corona，Dragonfly和Firefly，通过MATLAB工具建立了三种拓扑结构的功耗模型。通过对比研究，发现在少核芯片上，Corona 拓扑结构的损耗相对较少，而对于多核芯片，Firefly拓扑结构有较好的损耗特性。

【关键词】光电混合互联网络;损耗;Corona;Dragonfly;Firefly

中图分类号： TN405 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0047-001

DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.17.022

0 引言

随着处理器速度的提升，传统的电互联网络已经很难满足人们对功耗、带宽等方面的要求。因此，一种新型的互联方式，光互联网络（ONoC）成为研究的热点。它相比传统的电互联网络的主要优点有：光波在高速传递和处理时有更高的传输带宽，接近几十GHz;拥有更低的功耗和更短的时间延时;芯片上光互联网络和传统的CMOS技术兼容[1]。但是当前光互联技术面临两大障碍：光缓存和光处理，有机地结合电互联网络是当前发展的主要趋势，以光电混合的方式实现片内通信。目前对芯片级的光互联网络研究重点主要在器件级和路由器级，对网络级损耗研究较少，本文将提出芯片上光电混合互联网络损耗特性的研究模型，并基于Corona，Dragonfly和Firefly拓扑结构进行网络级损耗分析。

1 光技术背景

片上光互连网络是在芯片上实现的光通信网络，在物理层包括光学链路与交换节点两部分。光互联网络是利用光子的波粒二象性来处理光信号的路由和数据[2]。现如今基于芯片级别的片上光互联已有望突破电互联的瓶颈。当前，光互联的主要挑战是生产低成本、低功耗的硅光子器件。随着工艺的不断提升，许多新型的光器件结构被广泛应用，极大地促进了光互联技术的发展，其中包括激光器、光调制器、光波导、光开关、光探测器和耦合器等。光源一般采用片外激光器产生，然后耦合进片上的光波导，通过连接器将光信号传输到芯片上，然后通过调制器将电信号加载到光信号中，经过光波导到达接收端，通过光探测器转换成电信号。

2 片上光互联网络拓扑结构

在片上光网络中，电控制网络用来传输电分组交换报文和短报文，光网络用来传输光线路交换的长报文。片上光网络采用的混合结构使用两层网络：（1）电控制网络，是标准的CMOS工藝及其金属互联结构，其拓扑结构与光互联网络一样，用来传输控制短报文;（2）光互联网络，是由光波导连接光开关组合而成，用来传输长报文。下面介绍最近几年新提出的光电混合网络结构：Corona，Dragonfly和Firefly结构。

Corona结构（冠状结构） Corona结构是HP公司于2008年提出的典型的Crossbar总线结构[3]。Corona是基于光总线系统的。多写单读模式是Corona系统很重要的一个模式，每一个节点都有自己专属读操作通道。每次发送报文时可以对其余的N-1个通道进行写操作。

Dragonfly结构（蜻蜓结构） Dragonfly结构是2008年提出的片外互联拓扑结构，当初这个模型是为集群间通信建立快速二次网络和高速光通道而建立的，这个拓扑提高了光电混合互联网络的改进潜力[4]。

Firefly结构（萤火虫结构）Firefly结构是在研究Corona和Dragonfly结构路由方法时提出来的。随着光模节点数量的增加，电功率也相应的增加。内部集群在预留辅助单写多读总线上与光学蛇形波导连接，有利于点对点通信而不是浪费额外的通道[5]。

3 数值模拟与仿真分析

3.1 数值模拟

Corona、Dragonfly和Firefly三种拓扑结构功耗可以概括为以下两个方面：（1）光传输损耗，这部分损耗包括激光源、光调制器、光开关、光探测器。（2）电互联功耗，混合的光电网络的切换需要用电控，这会产生很大一部分的功耗。这三种结构的功耗计算公式和相关的假设参数下文会给出。

P总功耗=P激光源+P光调制器+P光开关+P光探测器+P电互联损耗（1）

3.2 仿真分析

如图1所示，在片内核数量不大于210核时，Corona拓扑结构损耗相较于其他两种拓扑结构要少，在片内核数量大于210核时，Firefly拓扑结构表现了较好的损耗特性。

4 结语

通过MATLAB工具建立了芯片上光互联网络网络级的损耗模型，并利用该模型分析了分别由Corona、Dragonfly和Firefly三种典型的当前主流光电混合拓扑结构建立的片上光网络的损耗特性。随着片上核数量的增加，片上损耗也逐渐增加，通过对比研究，发现在低核芯片上，Corona拓扑结构的损耗相对较少，而对于多核芯片，Firefly拓扑结构有较好的损耗特性。该研究对芯片上光互连网络的拓扑结构选用提供了一定的理论支持。

【参考文献】

[1]Kirman N， Kirman M， Dokania R K. Leveraging Optical Technology in Future Bus-Based Chip Multiprocessors[C]∥Proc of Int’l Symp on Micro architecture， 2006：492-503.

[2]张以谟，光互联网络技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3]J.Ahn，M.Fiorentino，R.G.Beausolei，et al.Devices and architectures for photonic chip-scale integration.Appl.Phys.A-Mater.Sci.Process，2009.17（3）：989-997.

[4]P.J AylliFe，J.W.Parker，Comparison of Optical and Electrical data Interconnection at the Broad and Back plan Levels[C]. SPIE LTS. Optical Interconnection Network，1990：10-15.

[5]Batten C，Joshi A，Orcutt J，et al.Building Many core Processor-to-Dram Networks with Monolithic Silicon Photonics[C]∥Proc of the 16th IEEE Symp on High Performance Interconnect，2008：21-30.