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2016年4月10日
目录
摘要3
Abstract3
第1章导论4
1.1研究背景4
1.2研究现状4
1.3未来发展与研究意义5
第2章光开关7
2.1微环谐振器7
2.2马赫—曾德尔光开关8
2.3光开关性能分析与对比9
第3章多端口光路由器11
3.1四端口光路由器12
3.2五端口光路由器14
3.3多端口光路由器17
第4章多端口光路由器分析22
4.1性能分析22
4.2光路由器的优化23
第5章结论26
参考文献:
27
支持芯片上光互连网络的多端口光路由器特性研究
西南大学电子信息工程学院,重庆400715
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。
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。
而芯片上光互连网络(ONoC,OpticalNetwork-on-Chip)是一种理想的、有望解决电互连所面临问题的芯片上多处理器间互连方式。
芯片上光互连网络(ONoC)具有更高的带宽,更低的功耗和更小的延时等优点。
本文介绍了国内外光学路由器的最新研究进展,着重介绍了多端口光学路由器的一般性原理,以及多端口光路由器的特性。
关键词:
芯片上光互连网络;
多端口;
光路由器;
ResearchontheFeaturesofMultiportOpticalRouterThatSupportofNetworks-on-Chip
LISHENGHUI
SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthwestUniversity,Chongqing400715,PRChina
Abstract:
Withthechipintegrationbythenumberofprocessorsmoreandmore,traditionalelectricalinterconnectionnetworkhavebeenunabletomeetthedemandoftheperformanceoftheinterconnectionnetwork.Weneedanewinterconnectionmethod,Sotheopticalinterconnectionnetworktechnologyisproduced.Asanewwayforinterconnectiontotheon-chipnetwork,opticalinterconnectionhaslowloss,highthroughputandlowdelay,etc.OpticalNetwork-on-Chip(ONoC)isaidealmethodandthereishopetosolvetheproblemoftheelectricalinterconnection,itisawaytoconnectionbetweenthechipmultiprocessors.OpticalNetwork-on-Chip(ONoC)haveahigherbandwidth,lowerpowerconsumptionandsmallerdelay,etc.Thispaperreviewsthelatestresearchprogressofopticalrouterallovertheworld,introducesthegeneralprincipleandthecharacteristicsofmultiportopticalrouter.
Keywords:
OpticalNetworks-on-Chip;
Multipleports;
opticalrouter
第1章导论
1.1研究背景
当今集成技术飞速发展,单个芯片上集成的处理器核越来越多,晶体管数目将达到几百亿个,尺寸将缩小到50纳米以下,时钟频率将达到10GHz左右[1]。
传统芯片上的电互连网络(ENoC)在功耗、性能、带宽、延迟等方面遇到了瓶颈,很难满足现代通信系统对互连网络的性能要求[2,3,4]。
作为一种新的互连方式,片上光互连网络(ONoC,OpticalNetwork-on-Chip)与传统的芯片上电互连网络(ENoC)相比较,芯片上光互连网络(ONoC)拥有更高的带宽,更高得吞吐率,更低的功耗和更小的延时等许多的优点[5,6]。
在有绝缘衬底的硅(SOI,Silicononinsulator)芯片上集成光器件来实现连接是目前芯片上光互连最有效的方法——将激光器、调制器、光路由器和光电探测器等组成芯片上光互连网络的基本器件再集成到同一块芯片上[7,8]。
这样不但能实现处理器之间的互连,而且能使互补金属氧化物半导体(CMOS)层与光层之间的连接更加充分。
特别是随着近几年基于硅基CMOS光器件技术和纳米光器件技术的进步与半导体行业的发展,更进一步促使光互连有望取代电互连而成为未来主流的片上处理器间的互连方式[9]。
1.2研究现状
随着CMOS集成工艺进入到纳米时代,基于56共享总线结构已经无法满足片上系统SoC(Sys—tem—on—Chip,简称SoC)系统的需要,因此有人提出用片上网络(Network—on—Chip,简称NoC)解决网络间的通信问题。
其目的是将计算机网络技术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GHz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、信号问延迟低、光损耗低、抗干扰等优点。
基于这种优势,提出了片上光网络(OpticalNetwork—on—Chip,简称ONoC)。
在传统的片上网络NoC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ONoC中有一个很好的性质一位速率透明性(BitRateTransparency),即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阃进行,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。
现在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光电探测器等都取得了突破性进展。
基于CMOS集成调制器、激光器、光波导以及光电探测器的芯片问通信技术已经被报道并且正被商业化。
因此,在单晶硅上用VISI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。
由于目前能进行光信息的处理但无法进行光存储,片上光网络ONoC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。
1.3未来发展与研究意义
随着技术的进步,更多的国内外研究机构意识到了ONoC的潜能,对ONoC相关技术开展了广泛的研究和实践,为其发展起到了极大的推动作用。
光互连技术是以光的波粒二相性与物质相互作用的各种现象实现数据和信号传输与交换的理论和技术[10]。
ONoC与ENoC相比有明显的优势,ONoC有更高的带宽、更低的功耗以及能并行的优点。
因为,第一,理论上光是一种电磁波,当光做载波时,将由几十THz左右的可用带宽来调制数据[11];
第二,利用光纤传输数据信号,光能几乎不会转化成热量损耗掉,其信号衰减和功耗都远远小于电信号;
第三,光的波长很短,多个光信号之间的干涉和衍射很微弱,所以在数据传输时不会产生数据串扰,能在同一根光纤中复用不同的波长并行传输数据。
随着信号频率增大,ONoC相对于ENoC的优势更加明显。
在传统片上网络遇到越来越多的瓶颈时,如功耗、带宽、面积、线延时等,急需一种新的方式去解决这些问题。
光互连作为一种新的互连方式引用到片上网络即片上光网络。
片上光网络具有许多传统片上网络所没有的优势,如高带宽、低损耗、低传输延时等,但片上光网络也面临许多挑战,如光信号无法处理和存储等。
基于Bus结构的片上网络和Torus结构的片上网络这两种网络结构各有优势,同时面临着许多困难。
片上光网络作为一种新型的片上互连网络方式具有广阔的发展前景。
第2章光开关
硅基片上光互联网络的节点处要实现路由功能,需要一个关键的器件是微纳光开关。
根据有关的研究表明,硅自身的光学特性,在一定程度上主要受其载流子的抽取和注入影响比较大。
因为其响应的速度比较快,使得载流子的色散效应在光调制的领域受到了相当广泛的应用与推广。
在前人发现的空穴光吸收谱与自由电子光吸收谱等一系列的实验结果的基础上,RichardA.Soref利用kramers-kroning关系对电场和载流子所产生的折射率变化进行了具体的数值分析。
充分利用了载流子的抽取与载流子的注入效应,在各种不同结构中对光进行控制的行为[12]。
在2004年的时候,Liu等人[13]采用了大截面的MOS结构,把硅基光调制器的速度提升到了1GHz以上,并且他的制作工艺与CMOS工艺之间相互兼容。
在2005年,美国Intel公司在调制器上取得突破,将调制器的速度提升至10GHz[14]。
2007年,Intel通过反偏PN结的载流子耗尽效应实现了新的调制器,这个利用反偏PN结载流子耗尽效应的调制器速度达到了40Gbit/s[15]。
对调制器来说,想要实现更加高的消光比,理论上讲必须需要调制器的“关”态几乎等于零。
相反对于那些输出端口数目大于1的器件,则必须尽量做到使得每个输出端口的光功率达到一致,这样器件才能够获得优越并且均匀的性能。
构成大规模的开关阵列其中极其重要的单元则是1×
2与2×
2的光开关。
特别是最近这些年中,光集成技术和光波导飞速发展,不断进步,光波导开关利用了导波光学的原理,使得信号光能够在介质光路中传输,并且通过电效应与热效应使介质的折射率产生了改变,从而达到了改变光的传播方向与控制光路的通断的效果。
随着科学研究的不断深入与发现,许多不同的类型的而且适合于SOI基片上光互连的光开关从波导开关中不断衍生出来。
其中,主要有载流子色散型光开关又叫做电光开关与热光开关两种。
伴随着科学的进步与技术的逐渐成熟,在将来的片上光互连网络中,对光开关的要求需要更加小的大小尺寸和更加高速的开关速率与相当低的功耗。
2.1微环谐振器
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