光片上网络波长分配策略研究
发布时间：2020-11-11 14:59
随着半导体工艺技术的发展,单一芯片上已经能够集成数量众多的IP核。当集成规模持续增大时,IP核之间如何高效通信成为了芯片设计过程中面临的主要问题。针对该问题,研究者们设计出片上网络(Network on Chip,NoC),使IP核通过网络相互连接。然而随着需求的不断提升,集成到同一芯片上的IP核数量不断增长,电片上网络的能耗、时延和串扰等问题成为了限制芯片性能提升的主要瓶颈。硅光子技术的发展及各种CMOS工艺兼容的集成光器件的出现,使得完整的光电网络能够集成在单一芯片中。相比于电网络,光网络在时延、带宽、能耗方面都具有优势,能够有效解决当前电片上网络的性能瓶颈。因此,研究者的目光也从传统片上网络转向光片上网络(Optical Network on Chip,ONoC)。三维光片上网络与二维结构相比,芯片内部的物理连线缩短,可以实现更高的封装密度和更小的面积。本文首先针对基于光电路交换的三维光片上网络中使用单一波长通信时竞争严重的问题,提出一种基于Mesh拓扑的三维光片上网络3D MWONoC,其中使用基于源节点的波长分配方法以缓解网络中的竞争,并为该网络设计了支持多波长通信的七端口无阻塞光路由器,同时介绍了网络的通信过程。仿真结果表明,所设计的光路由器平均损耗相比现有三维光片上网络中使用的光路由器有所降低,且时延和吞吐性能比现有三维光片上网络有大幅提升。本文还针对基于光电路交换的二维光片上网络中使用单一波长通信时存在竞争严重的问题,提出了LUNA架构,并具体介绍了其网络组成、通信过程、波长分配及调度算法。该架构充分利用电传输和光传输的特性,对于局部流量使用电互连通信,而全局流量使用光互连通信,降低设计复杂度,并使得网络易于扩展,同时使得网络资源能够得到共享。架构中提出的波长分配算法不但能重用波长,还解决了竞争问题,并将资源优先分配给流量较大的节点,以提升网络的性能。最后,我们对LUNA和现有使用波长分配方法的光片上网络在开销方面进行了对比,并与基于簇的光片上网络进行了时延、吞吐等性能的对比和分析。结果表明,LUNA的资源使用数目更少,并能够扩展至更大的规模。且LUNA的时延饱和点更高,饱和吞吐量更高。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN47
【部分图文】：
数据的比特率无关。(a) Tile-GX72 处理器 (b)Xeon Phi7290 处理器图1.1 商用多核处理器1.2 光片上网络的研究现状1.2.1 光片上网络的理论研究随着硅基光器件的技术不断进步及与商用 CMOS 制造流程的兼容性提升，光片上互连展示了实现高性能和高能效的潜力。国际半导体技术蓝图预测认为光互连是未来系统互连的重要发展趋势。因此，光片上网络近年来在国内外学术界得到普遍关注，研究人员从拓扑及路由器设计和通信策略等方面对光片上网络进行研究，实现片上互连性能的进一步提升。在光片上网络拓扑及路由器设计方面，为了减少光片上网络的插入损耗，Lei
该设计的出现彻底改变了现有处理芯片体系架构，对于实现下一代芯片系统具有重要意义，也标志着芯片级光电系统的开始。图1.2 片上光电混合系统原型此外，美国麻省理工学院的研究组利用与晶体管共同制造的氧化硅上的沉积多晶硅，将光子引入硅互补金属氧化物半导体芯片，并使用这种单一沉积层集成光波导、谐振器、光调制器和光电探测器[75]。该研究组将此平台与一个 300 毫米直径晶圆内的65 纳米晶体管 CMOS 工艺技术集成在一起，并在此平台上集成了每秒可处理十千兆比特且排列在波分复用光总线上的高速光收发器，以满足数据中心及高性能计算中对高带宽光互连的需求。通过分离光器件与晶体管，这种集成方法可以解决多芯片的问题，且具有片上系统的高性能、可扩展性等特点。市场上已经有尺寸小于十纳米的晶体管了，因此随着新的纳米技术的出现，这种方法可以提供一种将光子学与先进的纳米电子学相结合的方法。1.3 本文的研究重点光片上网络的出现能够提供低时延、高带宽、低功耗和低电磁干扰的通信。但由于目前光缓存技术不够成熟
[63]。图2.1 使用氮化硅波导的光片上网络架构致力于平面光波导及其应用方面研究的加州大学圣芭芭拉分校（UCSB，Universityof California, Santa Barbara）的电子与计算机工程学院的光通信与光网络研究实验室通过实验验证了波导性能与波导所采用材料之间的关系。例如，硅基 SiO2的平面波导在 1580 毫米波长传输时，传播损耗为 0.045 dB/m。此外，通过实验对比，研究者们发现，若结合热氧化方法对光波导内部进行杂质吸收，能够进一步减小传播损耗。光波导按传输模式可分为单模光波导和多模光波导。单模光波导是一直以来的重点研究领域，然而随着片上网络对传输速率，信道数量等方面要求的不断提升，传统基于单模的 WDM 以无法满足日益增长的性能需求，多模光波导以及基于多模光波导的模分复用技术愈发受到研究者们的关注。区别于传统需要多个独立激光源运行和校准的单模 WDM 技术
【参考文献】
本文编号：2879342
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN47
【部分图文】：
数据的比特率无关。(a) Tile-GX72 处理器 (b)Xeon Phi7290 处理器图1.1 商用多核处理器1.2 光片上网络的研究现状1.2.1 光片上网络的理论研究随着硅基光器件的技术不断进步及与商用 CMOS 制造流程的兼容性提升，光片上互连展示了实现高性能和高能效的潜力。国际半导体技术蓝图预测认为光互连是未来系统互连的重要发展趋势。因此，光片上网络近年来在国内外学术界得到普遍关注，研究人员从拓扑及路由器设计和通信策略等方面对光片上网络进行研究，实现片上互连性能的进一步提升。在光片上网络拓扑及路由器设计方面，为了减少光片上网络的插入损耗，Lei
该设计的出现彻底改变了现有处理芯片体系架构，对于实现下一代芯片系统具有重要意义，也标志着芯片级光电系统的开始。图1.2 片上光电混合系统原型此外，美国麻省理工学院的研究组利用与晶体管共同制造的氧化硅上的沉积多晶硅，将光子引入硅互补金属氧化物半导体芯片，并使用这种单一沉积层集成光波导、谐振器、光调制器和光电探测器[75]。该研究组将此平台与一个 300 毫米直径晶圆内的65 纳米晶体管 CMOS 工艺技术集成在一起，并在此平台上集成了每秒可处理十千兆比特且排列在波分复用光总线上的高速光收发器，以满足数据中心及高性能计算中对高带宽光互连的需求。通过分离光器件与晶体管，这种集成方法可以解决多芯片的问题，且具有片上系统的高性能、可扩展性等特点。市场上已经有尺寸小于十纳米的晶体管了，因此随着新的纳米技术的出现，这种方法可以提供一种将光子学与先进的纳米电子学相结合的方法。1.3 本文的研究重点光片上网络的出现能够提供低时延、高带宽、低功耗和低电磁干扰的通信。但由于目前光缓存技术不够成熟
[63]。图2.1 使用氮化硅波导的光片上网络架构致力于平面光波导及其应用方面研究的加州大学圣芭芭拉分校（UCSB，Universityof California, Santa Barbara）的电子与计算机工程学院的光通信与光网络研究实验室通过实验验证了波导性能与波导所采用材料之间的关系。例如，硅基 SiO2的平面波导在 1580 毫米波长传输时，传播损耗为 0.045 dB/m。此外，通过实验对比，研究者们发现，若结合热氧化方法对光波导内部进行杂质吸收，能够进一步减小传播损耗。光波导按传输模式可分为单模光波导和多模光波导。单模光波导是一直以来的重点研究领域，然而随着片上网络对传输速率，信道数量等方面要求的不断提升，传统基于单模的 WDM 以无法满足日益增长的性能需求，多模光波导以及基于多模光波导的模分复用技术愈发受到研究者们的关注。区别于传统需要多个独立激光源运行和校准的单模 WDM 技术
【参考文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 陈可;高性能可扩展光片上网络结构设计[D];西安电子科技大学;2014年
本文编号：2879342
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