發(fā)布時間：2020-11-11 14:59

　　 隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,單一芯片上已經(jīng)能夠集成數(shù)量眾多的IP核。當(dāng)集成規(guī)模持續(xù)增大時,IP核之間如何高效通信成為了芯片設(shè)計(jì)過程中面臨的主要問題。針對該問題,研究者們設(shè)計(jì)出片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip,NoC),使IP核通過網(wǎng)絡(luò)相互連接。然而隨著需求的不斷提升,集成到同一芯片上的IP核數(shù)量不斷增長,電片上網(wǎng)絡(luò)的能耗、時延和串?dāng)_等問題成為了限制芯片性能提升的主要瓶頸。硅光子技術(shù)的發(fā)展及各種CMOS工藝兼容的集成光器件的出現(xiàn),使得完整的光電網(wǎng)絡(luò)能夠集成在單一芯片中。相比于電網(wǎng)絡(luò),光網(wǎng)絡(luò)在時延、帶寬、能耗方面都具有優(yōu)勢,能夠有效解決當(dāng)前電片上網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸。因此,研究者的目光也從傳統(tǒng)片上網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向光片上網(wǎng)絡(luò)(Optical Network on Chip,ONoC)。三維光片上網(wǎng)絡(luò)與二維結(jié)構(gòu)相比,芯片內(nèi)部的物理連線縮短,可以實(shí)現(xiàn)更高的封裝密度和更小的面積。本文首先針對基于光電路交換的三維光片上網(wǎng)絡(luò)中使用單一波長通信時競爭嚴(yán)重的問題,提出一種基于Mesh拓?fù)涞娜S光片上網(wǎng)絡(luò)3D MWONoC,其中使用基于源節(jié)點(diǎn)的波長分配方法以緩解網(wǎng)絡(luò)中的競爭,并為該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了支持多波長通信的七端口無阻塞光路由器,同時介紹了網(wǎng)絡(luò)的通信過程。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的光路由器平均損耗相比現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)中使用的光路由器有所降低,且時延和吞吐性能比現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)有大幅提升。本文還針對基于光電路交換的二維光片上網(wǎng)絡(luò)中使用單一波長通信時存在競爭嚴(yán)重的問題,提出了LUNA架構(gòu),并具體介紹了其網(wǎng)絡(luò)組成、通信過程、波長分配及調(diào)度算法。該架構(gòu)充分利用電傳輸和光傳輸?shù)奶匦?對于局部流量使用電互連通信,而全局流量使用光互連通信,降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度,并使得網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)展,同時使得網(wǎng)絡(luò)資源能夠得到共享。架構(gòu)中提出的波長分配算法不但能重用波長,還解決了競爭問題,并將資源優(yōu)先分配給流量較大的節(jié)點(diǎn),以提升網(wǎng)絡(luò)的性能。最后,我們對LUNA和現(xiàn)有使用波長分配方法的光片上網(wǎng)絡(luò)在開銷方面進(jìn)行了對比,并與基于簇的光片上網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了時延、吞吐等性能的對比和分析。結(jié)果表明,LUNA的資源使用數(shù)目更少,并能夠擴(kuò)展至更大的規(guī)模。且LUNA的時延飽和點(diǎn)更高,飽和吞吐量更高。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN47
【部分圖文】：

數(shù)據(jù)的比特率無關(guān)。(a) Tile-GX72 處理器 (b)Xeon Phi7290 處理器圖1.1 商用多核處理器1.2 光片上網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀1.2.1 光片上網(wǎng)絡(luò)的理論研究隨著硅基光器件的技術(shù)不斷進(jìn)步及與商用 CMOS 制造流程的兼容性提升，光片上互連展示了實(shí)現(xiàn)高性能和高能效的潛力。國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖預(yù)測認(rèn)為光互連是未來系統(tǒng)互連的重要發(fā)展趨勢。因此，光片上網(wǎng)絡(luò)近年來在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界得到普遍關(guān)注，研究人員從拓?fù)浼奥酚善髟O(shè)計(jì)和通信策略等方面對光片上網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)片上互連性能的進(jìn)一步提升。在光片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼奥酚善髟O(shè)計(jì)方面，為了減少光片上網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，Lei

該設(shè)計(jì)的出現(xiàn)徹底改變了現(xiàn)有處理芯片體系架構(gòu)，對于實(shí)現(xiàn)下一代芯片系統(tǒng)具有重要意義，也標(biāo)志著芯片級光電系統(tǒng)的開始。圖1.2 片上光電混合系統(tǒng)原型此外，美國麻省理工學(xué)院的研究組利用與晶體管共同制造的氧化硅上的沉積多晶硅，將光子引入硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片，并使用這種單一沉積層集成光波導(dǎo)、諧振器、光調(diào)制器和光電探測器[75]。該研究組將此平臺與一個 300 毫米直徑晶圓內(nèi)的65 納米晶體管 CMOS 工藝技術(shù)集成在一起，并在此平臺上集成了每秒可處理十千兆比特且排列在波分復(fù)用光總線上的高速光收發(fā)器，以滿足數(shù)據(jù)中心及高性能計(jì)算中對高帶寬光互連的需求。通過分離光器件與晶體管，這種集成方法可以解決多芯片的問題，且具有片上系統(tǒng)的高性能、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。市場上已經(jīng)有尺寸小于十納米的晶體管了，因此隨著新的納米技術(shù)的出現(xiàn)，這種方法可以提供一種將光子學(xué)與先進(jìn)的納米電子學(xué)相結(jié)合的方法。1.3 本文的研究重點(diǎn)光片上網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)能夠提供低時延、高帶寬、低功耗和低電磁干擾的通信。但由于目前光緩存技術(shù)不夠成熟

[63]。圖2.1 使用氮化硅波導(dǎo)的光片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)致力于平面光波導(dǎo)及其應(yīng)用方面研究的加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB，Universityof California, Santa Barbara）的電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的光通信與光網(wǎng)絡(luò)研究實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了波導(dǎo)性能與波導(dǎo)所采用材料之間的關(guān)系。例如，硅基 SiO2的平面波導(dǎo)在 1580 毫米波長傳輸時，傳播損耗為 0.045 dB/m。此外，通過實(shí)驗(yàn)對比，研究者們發(fā)現(xiàn)，若結(jié)合熱氧化方法對光波導(dǎo)內(nèi)部進(jìn)行雜質(zhì)吸收，能夠進(jìn)一步減小傳播損耗。光波導(dǎo)按傳輸模式可分為單模光波導(dǎo)和多模光波導(dǎo)。單模光波導(dǎo)是一直以來的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，然而隨著片上網(wǎng)絡(luò)對傳輸速率，信道數(shù)量等方面要求的不斷提升，傳統(tǒng)基于單模的 WDM 以無法滿足日益增長的性能需求，多模光波導(dǎo)以及基于多模光波導(dǎo)的模分復(fù)用技術(shù)愈發(fā)受到研究者們的關(guān)注。區(qū)別于傳統(tǒng)需要多個獨(dú)立激光源運(yùn)行和校準(zhǔn)的單模 WDM 技術(shù)
【參考文獻(xiàn)】

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1 陳可;高性能可擴(kuò)展光片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D];西安電子科技大學(xué);2014年

本文編號：2879342