[发明专利]基于微谐振器的芯片光互连交换单元设计

说明书

技术领域

本发明涉及的芯片光互连网络交换单元属于芯片光互连领域，应用于芯片间光交换网络的搭建。

背景技术

当前，高性能微型处理器已经在各个领域得到了越来越广泛的应用，针对高性能处理器的研究一直是业界的热点。以高处理频率为特色的单核处理器因为其高能耗、高成本遇到了难以克服的发展瓶颈，而多核架构处理器芯片通过近年来的发展，逐渐成为高性能微型处理器的主流。随着多核处理器技术的不断进步，处理核的数目得到惊人的增长，核与核之间的数据交互网络的性能优劣逐渐成为多核处理器芯片设计最为关键的因素之一，这意味着针对芯片间互连网络通信结构的研究将在多核处理器的设计时发挥越来越关键的作用。

在芯片间互连网络通信结构迅速发展的过程中，芯片的小型化以及带宽需求的高速增长都对芯片间互连网络提出更加苛刻的要求。传统的电互连网络结构已经很难解决其自身性能的局限性：低带宽，高延迟，高能耗和串扰。相比之下，光互连则因为它几乎无限的带宽，低延迟，低功耗，低串扰已经开始被引入并且应用于高性能的芯片间互连网络之中。此外，光互连还有一个电互连无法匹敌的优势是：一旦光波导链路建立后，由于波导链路的低损耗，端到端的数据不需要像电互连一样进行再生、放大以及缓存。以上这些都让光互连网络在芯片互连领域充满了光明的应用前景。

不过，光互连技术的发展还是存在一定的技术限制，最主要问题在于缺乏低成本、高效率的光存储和光处理器件，所以难以实现对芯片间光交换网络的控制。相关的光处理器件的研究与设计不仅在光互连领域，在整个光通信领域都一直是个热点。而在国内外专家的努力研究下，光处理器件在发展中也不断的出现可喜的成果。近年来纳米光学元件的发展，使得光子集成电路中通常采用的光学微腔，尤其是微谐振器已经可以很容易地被用于传统的硅和硅绝缘体(SOI)基板上，这就给需要高集成密度的芯片间光互连网络创造了一个新的发展方向。因为，这类微谐振器(直径仅约为10μm)有着低功耗和低插入损耗，可以很好的应用于光学过滤器，开关，光分插复用器，进而应用于芯片间光互连网络交换单元的设计之中。目前，芯片间光互连网络设计已经开辟了一个新的方向：在微谐振器的基础上，设计交换单元，再通过引入交换算法构建整个光互连网络。本发明设计正是基于这种思路，设计出在该分支方向上具有领先水平的交换单元及高性能的芯片间光互连网络。

发明内容

本发明设计是基于微谐振器，应用于芯片间光互连网络的一类全新的网络交换单元。与其他同类的设计相比，该交换单元通过对结构的优化设计，能够在满足基本的无阻塞交换功能的同时，减少关键器件——微谐振器的使用数目，从而降低交换单元的功耗和所占的面积。将本发明设计的交换单元应用于芯片间光互连网络结构，可以进一步实现一种新颖的非对称芯片间互连网络结构，达到降低整个网络功耗、增加网络带宽密度的作用。

本发明是基于微谐振器进行设计的，首先就微谐振器的功能及原理做一个简单的介绍：

图一所示的是由两条交叉的光波导和一个微谐振器构成的选路单元，微谐振器与两条光波导间有预定的距离，以便光信号的耦合。通过电信号可以控制微谐振器的频率，实现开、关状态。当来自水平光波导上的信号频率与谐振器处于开状态的工作频率相同时，光信号将耦合到谐振器上，实现九十度的转向之后，再耦合到垂直光波导上，实现水平光信号选路到垂直光波导上的功能。而如果谐振器处于关状态时，光波导上的信号将沿着原方向前行，不会耦合到光谐振器上。

本发明利用微谐振器的这种选路功能，基于矩形MESH拓扑的模型，并参考该种矩形网络拓扑中的三种节点：边节点、中心节点、角节点对节点交换单元进行了设计。由于角节点不需要进行交换操作，所以只需要设计中心节点交换单元、边节点交换单元。采用尽量少的微谐振器和尽量少的交叉波导是本发明设计的基本原则。因为，整个交换单元的功耗和占用面积主要取决于微谐振器的数目，相较而言，光波导上的功率损耗以及面积占用基本可以忽略。而对于芯片间的光互连网络来说，低功耗和小面积意味着更大规模的集成，和更高的传输带宽密度，这些都是评价设计网络优劣的关键指标，而尽量少的交叉是为了优化网络结构，减少交叉带来的插入损耗。

通过反复的设计验证，以及相关的仿真测试，本发明首先设计出的结构称为全方向交换单元。图2所示的是全方向的中心/边节点交换单元，它们分别使用了8/4个微谐振器，占用的面积大约是16d²(其中d是微谐振器的直径)。另外这种结构只用到了两条水平波导和两条垂直波导，用到了4个交叉点。