【摘要】：隨著日益增長(zhǎng)的計(jì)算性能需求和對(duì)多任務(wù)同時(shí)處理能力的渴望,被集成在單個(gè)芯片上的處理核數(shù)量將越來(lái)越多。在芯片上有限的功率預(yù)算下,芯片上各處理單元的高速信息處理和數(shù)據(jù)并行計(jì)算使得片上多處理核系統(tǒng)(Multiprocessor systems-on-chips,MPSoCs)急需尋求一種低功耗、高帶寬、低時(shí)延的互連方式。傳統(tǒng)基于電互連的MPSoCs中多核通信面臨著誤碼、時(shí)延、帶寬、功耗等諸多方面的問(wèn)題,是制約MPSoCs持續(xù)發(fā)展的一大障礙。目前,芯片上光互連網(wǎng)絡(luò)(Optical network-on-chip,ONoCs)是一種全新的、用光連接替代電連接、有望解決電互連所面臨問(wèn)題的芯片上多處理核間互連方式。隨著近年來(lái)大數(shù)據(jù)、人工智能、超級(jí)計(jì)算等領(lǐng)域?qū)ζ蠋挼倪M(jìn)一步需求,使用單波長(zhǎng)的ONoCs已不能滿足超大容量的數(shù)據(jù)傳輸,基于WDM的片上光互連網(wǎng)絡(luò)(WDM-based optical networks-on-chip,WDM-ONoCs)成為了MPSoCs發(fā)展的必然方向。WDM-ONoCs能有效提高通信帶寬、降低時(shí)延并減小功耗。因此,近年來(lái)WDM-ONoCs的相關(guān)研究已成為了多處理核間高速互連研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),亦是MPSoCs未來(lái)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),在超大規(guī)模集成電路、大數(shù)據(jù)中心、多核系統(tǒng)、高速通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。WDM-ONoCs的是在絕緣襯底上的硅(Silicon on insulator,SOI)芯片上集成激光器、調(diào)制器、光路由器、光電探測(cè)器、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件、光碼型變換器件等基本器件來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的。然而,由于這些基本器件的制造工藝及其本身的材料屬性,WDM-ONoCs不可避免的遭受一系列能量損耗以及串?dāng)_噪聲。特別地,串?dāng)_是影響多波長(zhǎng)ONoCs誤碼率(Bit error rate,BER)的最重要因素,并將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中不斷積累從而影響網(wǎng)絡(luò)性能提升。相比于使用單波長(zhǎng)的ONoCs,WDM-ONoCs對(duì)串?dāng)_噪聲更加敏感并更易受其影響,特別是由非線性四波混頻(Four-wave mixing,FWM)效應(yīng)產(chǎn)生的FWM串?dāng)_噪聲,更難以從信號(hào)中分離和消除。在大規(guī)模WDM-ONoCs中,這些不斷積累的串?dāng)_噪聲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的失真、通信質(zhì)量下降、光信噪比(optical signal-to-noise ratio,OSNR)降低以及信息傳輸錯(cuò)誤,并最終引起網(wǎng)絡(luò)性能衰退和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展受限。因此,本文針對(duì)WDM-ONoCs的串?dāng)_特性,對(duì)基于WDM的Fat-Tree結(jié)構(gòu)的ONoCs(Fat-Tree-ONoCs),提出了完整的串?dāng)_分析模型并研究了其串?dāng)_特性。此外,針對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能,提出了網(wǎng)絡(luò)性能分析平臺(tái)。本文從物理層面到網(wǎng)絡(luò)層面對(duì)支持WDM的Fat-Tree-ONoCs做了完整的性能研究,為下一代芯片上光互連網(wǎng)絡(luò)做好理論基礎(chǔ)和提供可靠的技術(shù)支持,且具有較高的可擴(kuò)展性及可移植性,適用于任何網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文的主要內(nèi)容如下:首先,根據(jù)WDM-ONoCs的系統(tǒng)組成,對(duì)硅基波導(dǎo)、SOI微環(huán)諧振器、WDM技術(shù)基礎(chǔ)以及FWM效應(yīng)作了相關(guān)理論基礎(chǔ)的詳細(xì)介紹,并建立了FWM串?dāng)_的功率計(jì)算模型。其次,根據(jù)WDM-ONoCs的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建需求,分別設(shè)計(jì)出了支持WDM的基本光開關(guān)器件,基于WDM的多端口、低串?dāng)_、低損耗光路由器以及基于WDM的Fat-Tree-ONoCs,并分別建立了器件級(jí)、路由級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)的串?dāng)_特性分析模型。最后,將支持WDM的光轉(zhuǎn)向路由器(WDM-based optical turnaround router,WOTAR)應(yīng)用在Fat-Tree-ONoCs中,確定了在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的最差光信噪比傳輸鏈路,并得出了網(wǎng)絡(luò)的最差信噪比、誤碼率、串?dāng)_噪聲、損耗�；贠ptisystem設(shè)計(jì)了片上多信道傳輸系統(tǒng),驗(yàn)證信號(hào)在實(shí)際信道中傳輸時(shí)的波形情況,基于OPNET搭建了支持WDM的Fat-Tree-ONoCs的網(wǎng)絡(luò)特性仿真平臺(tái),研究在實(shí)際片上通信業(yè)務(wù)下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能。研究結(jié)果表明:線性串?dāng)_噪聲和FWM串?dāng)_噪聲,是降低基于WDM的Fat-Tree-ONoCs的性能如OSNR、BER等的兩大因素,并且限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展。例如,在最差串?dāng)_噪聲情況下,當(dāng)64個(gè)處理核的Fat-Tree-ONoCs輸入光信號(hào)強(qiáng)度為0dBm時(shí),8個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)平均OSNR為-9.47dB,這意味著平均串?dāng)_噪聲略高于平均信號(hào)的強(qiáng)度。但當(dāng)處理核數(shù)量達(dá)到128時(shí),平均OSNR為34.37dB,相比于64個(gè)處理核的網(wǎng)絡(luò)下降了24.90dB。此外,當(dāng)處理核超過(guò)32個(gè)時(shí),最差信噪比小于0,這表明在支持WDM的Fat-Tree-ONoCs的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),其規(guī)模不應(yīng)超過(guò)32個(gè)處理核�；赪DM的Fat-Tree-ONoCs在實(shí)際芯片的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下具有非常理想的吞吐量和較低的時(shí)延。相對(duì)于單波長(zhǎng)的Fat-Tree-ONoCs,在數(shù)據(jù)包大小相同的情況下,飽和點(diǎn)更靠后,時(shí)延更低,吞吐量更大;在相同負(fù)載下,增大數(shù)據(jù)包大小可以在一定程度上提升網(wǎng)絡(luò)的吞吐量并減小時(shí)延。
【圖文】：

圖 2.1 基于 WDM 的片上光互連網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的組成及 WDM 傳輸模型WDM-ONoCs 通信系統(tǒng)如圖 2.1 所示，主要由三部分組成：（1）電光轉(zhuǎn)換接口，基本功能是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，把來(lái)自數(shù)據(jù)源的數(shù)字基帶電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并用耦合技術(shù)有效注入傳輸煤質(zhì)。電光轉(zhuǎn)換接口是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，，光源一般為具有不同出射波長(zhǎng)的激光器，利用多路電信號(hào)對(duì)不同激光器進(jìn)行調(diào)制可以得到多路輸出光信號(hào)，隨后將這些光信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用器合并成一路光信號(hào)，就成為了 WDM 輸入信號(hào)。（2）光互連傳輸鏈路，也就是 WDM-ONoCs 的傳輸煤質(zhì)，是建立源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的通信鏈路。通常采用硅基波導(dǎo)與微環(huán)諧振器（Micro-Ring Resonator，MRR）組成的互連通路來(lái)實(shí)現(xiàn)端到端 WDM 光信號(hào)的傳輸。（3）光電轉(zhuǎn)換接口，主要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，把經(jīng)光互連傳輸鏈路中傳輸?shù)?WDM 光信號(hào)通過(guò)解波分復(fù)用器分解成多路光信號(hào)，并通過(guò)光電探測(cè)器把各光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，發(fā)送到接收信息的目的節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 硅基波導(dǎo)絕緣襯底上的硅（Silicon on Insulator，SOI）而具有一些特殊的性質(zhì)，是一種新型的硅基集成新一代的集成電路的材料基礎(chǔ)。目前基于 SOI 的廣泛運(yùn)用，具有高速率、小體積、低損耗、低功子器件和光子器件集成等優(yōu)點(diǎn)。硅基波導(dǎo)是構(gòu)建 ONoCs 光子器件、光路由器光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如 2.2(a)所示，它使用硅（Si）作內(nèi)層作為包層，具有 3.6dB/cm 的傳輸損耗以及較好的曲且有 0.013dB 的損耗。隨著納米光子技術(shù)制作基于空氣包裝的硅基波導(dǎo)可達(dá)到 2dB/cm 的損耗，化物薄膜的硅基波導(dǎo)也已實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前硅基波導(dǎo)中于熱氧化工藝制造而成的。在通常情況下，硅波
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2639963