【摘要】：近年來,隨著人們對計(jì)算性能以及高并發(fā)任務(wù)處理能力需求的日益增長,片上晶體管的工作頻率和集成密度不斷增加,芯片上多核處理系統(tǒng)(Multiprocessor systems-on-chip,MPSoCs)已經(jīng)成為片上設(shè)計(jì)的主流趨勢。傳統(tǒng)的基于電互連的片上網(wǎng)絡(luò)(Electrical networks-on-chip,ENoCs)由于存在高串?dāng)_、高延時(shí)、低帶寬、高能耗等方面的問題,已經(jīng)無法滿足MPSoCs持續(xù)發(fā)展的需要。芯片上光互連網(wǎng)絡(luò)(Optical networks-on-chip,ONoCs)的提出作為一種用光代替電連接的芯片上多處理核之間的互連方式,通過電互連層實(shí)現(xiàn)仲裁控制而數(shù)據(jù)傳輸則由光互連層進(jìn)行完成,可以有效解決ENoCs所面臨的功耗,延遲和帶寬的限制,滿足新應(yīng)用的開發(fā)需求。在基于ONoCs的通信系統(tǒng)中,芯片上不同處理核(Intellectual property,IP)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過互連網(wǎng)絡(luò)作為通信基礎(chǔ)設(shè)施來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。芯片底層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)能夠有效分配信息的效率。并且,除了對網(wǎng)絡(luò)帶寬,延遲,容錯和能耗產(chǎn)生重大影響外,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在ONoCs架構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中也扮演著重要的角色,如路由器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用映射。為ONoCs架構(gòu)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),其中一個(gè)主要目標(biāo)是通過選擇具有更好靜態(tài)特性(如節(jié)點(diǎn)度,直徑和平均跳距)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高網(wǎng)絡(luò)性能。同時(shí),也需要考慮到線密度,路由器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等物理約束的影響。迄今為止已經(jīng)為ONoCs提出了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),例如Mesh,Torus,Fat-Tree等。Mesh和Torus網(wǎng)絡(luò)是常見的選擇,因?yàn)樗鼈兊木W(wǎng)絡(luò)直徑相對較短,節(jié)點(diǎn)度較低,IP核更容易布局。與Mesh或Torus相比,Gaussian拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)直徑和平均跳距方面具有顯著的拓?fù)鋬?yōu)勢。Gaussian網(wǎng)絡(luò)可以容納更多節(jié)點(diǎn),通信延遲更少,同時(shí)保持規(guī)則的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu),從而使它們成為ONoCs架構(gòu)更合適的拓?fù)浜蜻x者。然而,由于ONoCs架構(gòu)中存在大量波導(dǎo)交叉和微環(huán)諧振器等光學(xué)器件,當(dāng)光信號通過這些器件時(shí),光學(xué)器件制造材料的固有屬性導(dǎo)致光信號難免會遭遇到串?dāng)_噪聲以及功率損耗的影響。雖然設(shè)備級別的影響幅度非常小,但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大,串?dāng)_噪聲在光信號中持續(xù)累積,這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重下降,造成信號衰減、畸變甚至失真,從而限制了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。因此,將Gaussian網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋬?yōu)勢應(yīng)用于ONoCs的架構(gòu)設(shè)計(jì),分析網(wǎng)絡(luò)中功率損耗和串?dāng)_噪聲對網(wǎng)絡(luò)性能的影響非常重要。本文針對ONoCs的串?dāng)_特性,對基于Gaussian網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的片上光網(wǎng)絡(luò)(Gaussian-Based ONoCs),提出了完整的功率損耗以及串?dāng)_計(jì)算的分析模型,并針對Gaussian網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)提出了一種改善通信鏈路信噪比的優(yōu)化方法,主要研究內(nèi)容如下:1.闡述了Gaussian網(wǎng)絡(luò)的定義、表達(dá)式、拓?fù)鋱D以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)勢。2.介紹構(gòu)成ONoCs通信系統(tǒng)的硅基波導(dǎo)和諧振微環(huán)等基本器件的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及原理,并提出由其組成的基本光交換單元(Basic optical switching elements,BOSEs)的模型,并給出了BOSEs在不同工作狀態(tài)下其各個(gè)端口的光信號功率和串?dāng)_噪聲的計(jì)算公式,為網(wǎng)絡(luò)層的分析奠定基礎(chǔ)。3.基于建立的BOSEs的分析模型,提出了適用于Gaussian片上光網(wǎng)絡(luò)的全通五端口光路由器模型,介紹了光網(wǎng)絡(luò)中使用的交換機(jī)制以及Gaussian路由算法。建立了光路由器層級的功率損耗和串?dāng)_特性分析計(jì)算模型,并舉例說明。4.分析了在網(wǎng)絡(luò)中光信號從源節(jié)點(diǎn)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)路徑中的功率損耗、串?dāng)_噪聲積累、光信噪比(Optical signal-to-noise ratio,OSNR)以及誤碼率(Bit error rate,BER)的計(jì)算模型。5.數(shù)值仿真中使用Cygnus和Crossbar光學(xué)路由器來驗(yàn)證所提出的分析模型的可行性,并得出Guassian片上光網(wǎng)絡(luò)中的最差路徑以及最大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。仿真數(shù)值說明,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大會造成光信號信噪比的大幅下降。為了使Gaussian片上網(wǎng)絡(luò)更加可用,我們提出了一種改善網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化方法,即根據(jù)兩個(gè)通信IP核的位置分布選擇最佳路徑,這種方法可以有效地避免最壞的情況。最后在Optisystem仿真軟件搭建網(wǎng)絡(luò)模型,便于更直觀的分析觀察網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1;TN47

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本文編號：2769927