在光片上网络中基于波分复用的热光效应的量化分析

发布时间：2020-06-18 22:13

【摘要】：随着人们生活需求的不断丰富化和生活品质的不断提升,传统的单核总线式的结构已经难以满足人们对更优的处理性能和更稳定的处理能力的需求。商业以顾客为主,产品以需求至上,人们的需求变化倒逼着芯片技术的不断进步和发展。伴随着多核系统中片上集成度的不断增加,片上网络(Network on Chip,NoC)慢慢地进入了人们的视线,它以片上网络互连的通信方式突破了传统高频率单核的通信方式在延迟、带宽和功耗等方面的瓶颈,显著提升了处理器的性能。但是,随着集成度的进一步增加,传统的片上网络由于其金属互连的方式所固有存在的寄生效应使得它数据传输、功耗、同步和可重用性方面出现了功能性的混乱,严重时甚至会致使整个电路瘫痪。因此,以光互连为基础的光片上网络(Optical Network on Chip,ONoC)在此时应运而生。光互连片上网络以其高通信带宽、低延迟、低功耗和低占地面积等特点成为了最有希望替代传统电互连片上网络的片上通信模式中的一员。然而,光片上网络的提出是得益于硅光子技术和片上光器件的突破性发展,作为光器件,热敏性是片上光器件的固有属性之一,其的性能受温度的影响会出现一定的起伏,进而影响光片上网络的性能和应用范围。因此,在光片上网络的研究中,温度对其性能的影响是其研究过程中不可或缺的一环。微环谐振器是光片上网络中各个片上光器件的基本组成元素之一。在光片上网络的通信过程的各个环节都有着微环谐振器的身影,在片上激光器中它可以辅助激光器选择要发射的光源,在片上光路由器中它被用来去实现光信号的转向,在片上光调制器中它可以辅助调制器将光转化为标准的信号光。同时,它也是各个片上光器件的热敏性的来源。微环谐振器由于制成材料的影响使得它天生就对温度较为敏感,从而具有较为显著的热光效应。它是研究光片上网络的热光效应最重要的环节之一。因为对于微环谐振器而言,它的基本工作就是实现固定波长的光的选择和重定向功能,这就需要促使其能正常工作的谐振波长具有较强的不变性。然而,微环谐振器的谐振波长在其环境温度改变时会发生热漂移现象,从而使得其原有的工作机制被打破,进而影响片上光器件以及光片上网络的性能。故而,欲增强光片上网络的热稳定性,研究它的热光效应是达到这一目的的必经之路,而微环谐振器的热光效应则是其中最为关键的一步。在文章中,微环谐振器的热光效应被系统地学习并分析了,并通过建立相应的热光效应模型对温度对其谐振波长和光能量损耗的影响进行了定量的描述。对于两种不同的微环谐振器的不同属性,相应的公式关系模型被提出了。首先是关于两种结构均能适用的微环谐振器的谐振波长和温度之间关系模型,接着是针对平行直波导微环谐振器的光损耗和温度之间的关系模型。对于交叉直波导微环谐振器而言,文章系统地提出了一个描述两种微环谐振器结构的光损耗之比与温度之间的关系的变化模型,这在一定程度上弥补了对交叉直波导微环谐振器的光损耗随温度变化的研究的不足。文中的三种关系模型均被采用的是专业的光学仿真方法进行了专业而又系统的验证。在光片上网络的不同领域,它们可以被广泛的应用于精准而有效的热光效应分析中。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN47
【图文】：

多核,单核,历程,处理器

1 绪论1.1 背景随着人们生活品质和生活需求多样化的不断转变升级，单一芯片上的单核系统的处理能力逐渐的不能满足人们对于处理速度更快，处理能力更强，处理事务更复杂的需求。然而，得益于半导体工艺的不断发展完善，单一芯片上能集成的晶体管数量成倍增长，芯片中处理器核的数量也越来越来多，芯片的发展逐步进入了片上多核系统的时代。片上多核系统（System on chip，SoC）将多个处理器核通过总线相连，使得处理器核可以通过总线进行通信和合作，从而提高了系统的处理能力和链路的利用率。但随着处理器核的个数到了一定的数量级之后，总线互连的方式又使得芯片的可扩展性不断下降，带宽难以提高，通信效率低下，时钟同步难度加大[1][2]。鉴于此，通过网络互连和片上路由的方式来实现处理器核之间的通信的片上网络（Network on Chip，NoC）成为了彻底解决芯片可扩展性和通信效率的最佳方式。

光片,效应

重庆大学硕士学位论文 1 绪论高的集成密度以及不断增加的器件功率和能耗，由此而在芯片中产生了更多的热量，加之，当前技术背景下的物理设备的冷却技术和散热能力有限，导致更多的热量聚集于芯片内部，从而反过来影响系统的正常运行，甚至导致器件的停运或者损坏[3]。针对这一能耗优化的问题，传统的基于 power gating 的动态电源管理技术（DPM）和细粒度的动态电压频率调整技术（DVFS）等技术在降低能耗方面起到了一定的作用，但是也产生一种新的现象，暗硅现象[4][5][6]。暗硅现象主要源于系统为了保证所有芯片在可提供的功耗以及安全的温度下正常运行，不得不使一部分芯片处于变淡（降频工作）或是转暗（关闭核心），这就使得在同一阶段下，众核系统的全部核心无法同时工作在最佳状态下[7]。

【参考文献】