張曙光

【摘 要】光互聯具有低損耗、高吞吐率、低延遲等無可比擬的優(yōu)勢，但由于光互聯技術面臨光緩存和光處理兩大障礙，因此有機地結合電互聯網絡是當前發(fā)展的主要趨勢。本文主要介紹了三種最近幾年新提出的片上光電混合網絡結構：Corona，Dragonfly和Firefly，通過MATLAB工具建立了三種拓撲結構的功耗模型。通過對比研究，發(fā)現在少核芯片上，Corona拓撲結構的損耗相對較少，而對于多核芯片，Firefly拓撲結構有較好的損耗特性。

【關鍵詞】光電混合互聯網絡;損耗;Corona;Dragonfly;Firefly

中圖分類號： TN405文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0047-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.022

0 引言

隨著處理器速度的提升，傳統(tǒng)的電互聯網絡已經很難滿足人們對功耗、帶寬等方面的要求。因此，一種新型的互聯方式，光互聯網絡（ONoC）成為研究的熱點。它相比傳統(tǒng)的電互聯網絡的主要優(yōu)點有：光波在高速傳遞和處理時有更高的傳輸帶寬，接近幾十GHz;擁有更低的功耗和更短的時間延時;芯片上光互聯網絡和傳統(tǒng)的CMOS技術兼容[1]。但是當前光互聯技術面臨兩大障礙：光緩存和光處理，有機地結合電互聯網絡是當前發(fā)展的主要趨勢，以光電混合的方式實現片內通信。目前對芯片級的光互聯網絡研究重點主要在器件級和路由器級，對網絡級損耗研究較少，本文將提出芯片上光電混合互聯網絡損耗特性的研究模型，并基于Corona，Dragonfly和Firefly拓撲結構進行網絡級損耗分析。

1 光技術背景

片上光互連網絡是在芯片上實現的光通信網絡，在物理層包括光學鏈路與交換節(jié)點兩部分。光互聯網絡是利用光子的波粒二象性來處理光信號的路由和數據[2]。現如今基于芯片級別的片上光互聯已有望突破電互聯的瓶頸。當前，光互聯的主要挑戰(zhàn)是生產低成本、低功耗的硅光子器件。隨著工藝的不斷提升，許多新型的光器件結構被廣泛應用，極大地促進了光互聯技術的發(fā)展，其中包括激光器、光調制器、光波導、光開關、光探測器和耦合器等。光源一般采用片外激光器產生，然后耦合進片上的光波導，通過連接器將光信號傳輸到芯片上，然后通過調制器將電信號加載到光信號中，經過光波導到達接收端，通過光探測器轉換成電信號。

2 片上光互聯網絡拓撲結構

在片上光網絡中，電控制網絡用來傳輸電分組交換報文和短報文，光網絡用來傳輸光線路交換的長報文。片上光網絡采用的混合結構使用兩層網絡：（1）電控制網絡，是標準的CMOS工藝及其金屬互聯結構，其拓撲結構與光互聯網絡一樣，用來傳輸控制短報文;（2）光互聯網絡，是由光波導連接光開關組合而成，用來傳輸長報文。下面介紹最近幾年新提出的光電混合網絡結構：Corona，Dragonfly和Firefly結構。

Corona結構（冠狀結構） Corona結構是HP公司于2008年提出的典型的Crossbar總線結構[3]。Corona是基于光總線系統(tǒng)的。多寫單讀模式是Corona系統(tǒng)很重要的一個模式，每一個節(jié)點都有自己專屬讀操作通道。每次發(fā)送報文時可以對其余的N-1個通道進行寫操作。

Dragonfly結構（蜻蜓結構） Dragonfly結構是2008年提出的片外互聯拓撲結構，當初這個模型是為集群間通信建立快速二次網絡和高速光通道而建立的，這個拓撲提高了光電混合互聯網絡的改進潛力[4]。

Firefly結構（螢火蟲結構）Firefly結構是在研究Corona和Dragonfly結構路由方法時提出來的。隨著光模節(jié)點數量的增加，電功率也相應的增加。內部集群在預留輔助單寫多讀總線上與光學蛇形波導連接，有利于點對點通信而不是浪費額外的通道[5]。

3 數值模擬與仿真分析

3.1 數值模擬

Corona、Dragonfly和Firefly三種拓撲結構功耗可以概括為以下兩個方面：（1）光傳輸損耗，這部分損耗包括激光源、光調制器、光開關、光探測器。（2）電互聯功耗，混合的光電網絡的切換需要用電控，這會產生很大一部分的功耗。這三種結構的功耗計算公式和相關的假設參數下文會給出。

P總功耗=P激光源+P光調制器+P光開關+P光探測器+P電互聯損耗（1）

3.2 仿真分析

如圖1所示，在片內核數量不大于210核時，Corona拓撲結構損耗相較于其他兩種拓撲結構要少，在片內核數量大于210核時，Firefly拓撲結構表現了較好的損耗特性。

4 結語

通過MATLAB工具建立了芯片上光互聯網絡網絡級的損耗模型，并利用該模型分析了分別由Corona、Dragonfly和Firefly三種典型的當前主流光電混合拓撲結構建立的片上光網絡的損耗特性。隨著片上核數量的增加，片上損耗也逐漸增加，通過對比研究，發(fā)現在低核芯片上，Corona拓撲結構的損耗相對較少，而對于多核芯片，Firefly拓撲結構有較好的損耗特性。該研究對芯片上光互連網絡的拓撲結構選用提供了一定的理論支持。

【參考文獻】

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

[2]張以謨，光互聯網絡技術[M].北京：電子工業(yè)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.