基于串?dāng)_特性的Torus網(wǎng)絡(luò)的性能分析與優(yōu)化.pdf

1、隨著CMOS集成工藝進(jìn)入到超深亞微米以及納米時(shí)代，芯片的特征尺寸越來(lái)越小，在單個(gè)芯片上要求實(shí)現(xiàn)愈來(lái)愈復(fù)雜的功能，而傳統(tǒng)的架構(gòu)方式及互連技術(shù)由于其在帶寬、延遲、功耗等方面的瓶頸問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法滿足片上系統(tǒng)的需要。片上網(wǎng)絡(luò)是為了解決片上系統(tǒng)多個(gè)處理器核之間的互連難題和片上通信問(wèn)題而提出的一種新方案，目前，片上網(wǎng)絡(luò)最常用的設(shè)計(jì)方案是采用光電混合互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用光網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，電控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)層的控制。現(xiàn)在大部分的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)片上光

2、網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在光器件、路由器以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在性能評(píng)價(jià)方面主要關(guān)注能耗、吞吐量、時(shí)延等指標(biāo)的分析。光互連網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)就是由各種硅基波導(dǎo)器件組合而成的網(wǎng)絡(luò)，然而，串?dāng)_是硅基器件所固有的屬性，片上光網(wǎng)絡(luò)中累積的串?dāng)_量是制約其性能提高的瓶頸問(wèn)題，因此將串?dāng)_問(wèn)題作為本文研究的核心技術(shù)問(wèn)題。在此之前，基于串?dāng)_問(wèn)題的分析主要集中在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)中，考慮到改變基本光學(xué)器件十字狀交叉波導(dǎo)的交叉角度會(huì)引入不同量的串?dāng)_噪聲和插入損耗，因此

3、本文選擇最優(yōu)的十字狀波導(dǎo)交叉代替光路由器以及光網(wǎng)絡(luò)中固定的垂直交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且發(fā)現(xiàn)其能夠較好地改善串?dāng)_問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)性能提升，這為擴(kuò)大芯片上光互連網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模奠定了理論基礎(chǔ)。本文主要以Torus為例建立基于串?dāng)_特性分析的片上光網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸情況的理論分析模型和仿真模型，為下一步設(shè)計(jì)具有更優(yōu)性能的光路由器和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo)。
　　首先本文介紹了光網(wǎng)絡(luò)中所采用的硅基波導(dǎo)器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，由直波導(dǎo)和閉環(huán)波導(dǎo)設(shè)計(jì)而成的微環(huán)諧振器是實(shí)現(xiàn)

4、光開(kāi)關(guān)功能的核心器件，接著給出了交叉波導(dǎo)、平行開(kāi)關(guān)和交叉開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的損耗和串?dāng)_模型，其中交叉結(jié)構(gòu)不再局限于傳統(tǒng)的垂直交叉結(jié)構(gòu)。接下來(lái)介紹了Torus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其采用的五端口路由器結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，考慮到優(yōu)化的交叉角度能夠?qū)崿F(xiàn)更低串?dāng)_的引入，因此將該優(yōu)化方法擴(kuò)展至路由層與網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出低串?dāng)_和低損耗的芯片上光路由器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并且給出了路由層和網(wǎng)絡(luò)層的理論分析模型。最后數(shù)值仿真和模擬仿真的分析結(jié)果表明，光網(wǎng)絡(luò)中采用的路由器結(jié)構(gòu)

5、應(yīng)盡可能減少微環(huán)諧振器和交叉結(jié)構(gòu)的數(shù)量，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步應(yīng)用角度優(yōu)化方法有效地降低串?dāng)_噪聲、提高信噪比、降低誤碼率，從而保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)性能的提升。比如，考慮Torus光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模為6×6，輸入光功率為0dBm時(shí)，使用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)的信噪比達(dá)到23.87dB，相對(duì)應(yīng)用傳統(tǒng)的Crux或者Crossbar路由器于光網(wǎng)絡(luò)中而言，其信噪比分別提升了2.21dB以及9.27dB?；诠馄骷?、路由器和網(wǎng)絡(luò)層的基本特性以及仿真結(jié)果，