[发明专利]基于波长分配的光片上网络系统及其通信方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是基于波长分配的光片上网络系统及其通信方法，可用于简化光片上路由器结构，减少使用波长数，可用于芯片上的核间互连。

背景技术

当前片上系统SoC的设计规模越来越大，大量异构化IP核被集成到同一芯片上，随着SoC中所包含的IP核数目进一步增加，基于总线结构的SoC在功耗、时延和可靠性等方面面临着巨大的挑战。基于网络架构的片上网络NoC是未来片上互连的主流通信方案。NoC的核心思想是将计算机网络技术移植到芯片设计中，从体系结构上彻底解决片上通信遇到的瓶颈问题。然而电互连存在电磁干扰、时间延迟、时钟歪斜以及串扰等问题。因此，光片上网络应运而生，它用光信号代替传统的电信号实现IP核间的通信，相对于电互连，光互连技术有着高带宽、高传输速率、低时延、低电磁干扰等诸多优势，并且波分复用技术会进一步提高片上网络带宽。

目前光片上网络采用的交换方式多为光电路交换，以预约链路的方式传输单波长的光分组，源节点到目的节点之间的链路被预约后，只能传输来自源节点的光分组，暂时不允许来自其它源节点的光分组在这条链路上传输，这种阻塞会降低光片上网络的链路资源利用率。同时，这种交换方式采用的光路由器结构复杂，光路由器间需要双向两根波导，为实现无阻塞的4×4光路由器，在光路由器内部至少需要8个微环谐振器来实现光信号的转向，这种光路由器有很多波导交叉和弯曲，整个光路由器的光损耗很大，同时过多波导交叉引起的光信号串扰会降低光信号的信噪比。

波分复用技术可以在同一链路中同时传输多个波长的光分组，而不会相互影响，因此波分复用技术可以提高光片上网络的带宽和链路利用率。目前基于波分复用的光片上网络的实现方案主要有三种：一种是为每个节点分配一个不同的波长，其缺点是使用的波长数过多，使网络扩展性受限；第二种是通过增加波导的方式来实现波长重用，提高波长的利用率，其缺点是波导使用数量的增加会使波导交叉数增加，加剧信号的串扰；第三种是通过分配算法为每个源节点与目的节点对选取一个特定波长，相比于第一种方案，这种方法虽然在一定程度上减少了波长的使用数目，但是波长使用数目仍然大于网络规模的一半。使用过多的波长，会增加处理不同波长所需光器件的成本，增加光路由器的设计难度，增加制造工艺和集成工艺的难度，限制网络规模的扩展。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于波长分配的光片上网络系统及其通信方法，以减少波长的使用数目，提高基于波分复用光片上网络的可扩展性，降低光路由器结构的复杂度。

为实现上述目的，本发明基于波长分配的光片上网络系统，包括n²个节点，n是规模为n×n网格状光片上网络的维度，3≤n≤32，每个节点包括1个IP核、1个光路由器、1个电路由器、1个电光转换单元、1个光电转换单元和1个处理单元；该IP核用于产生和处理数据，每个IP核通过电光转换单元和光电转换单元与光路由器相连接，该光路由器用于接收和转发数据，该电光转换单元和光电转换单元用于实现光信号和电信号的相互转换，两者都位于IP核和光路由器之间，该电路由器用于传输电控制信号，控制着光路由器、电光转换单元和光电转换单元，电路由器间用电连线连接成网格状电网络；其特征在于：

n²个光路由器结构相同，每个光路由器设有4个端口，每个端口既作为输入端口，又作为输出端口，每个光路由器之间通过单根波导连接成网格状光网络，通过单根波导双向传输多个波长的光信号；

每个处理单元，位于光电转换单元与IP核之间，用于多路电信号的复用和缓存，并将多路电信号转化为供IP核接收的一路电信号；

每个电光转换单元内放置n个光调制器，每个光调制器输出的光信号波长不同，根据目的节点的位置，光电转换单元选择相应的光调制器，把电信号调制成相应波长的光信号。

上述的基于波长分配的光片上网络系统，其特征在于，每个光路由器由两根十字交叉的垂直波导和水平波导、4个微环谐振器、3组光基本平行开关单元构成，该4个微环谐振器分别位于垂直波导与水平波导的四个夹角处，它们的谐振波长相同；该3组光基本平行开关单元的每一组数量均为n个，且第一组光基本平行开关单元垂直排成一列，位于垂直波导的右侧，第二组和第三组光基本平行开关单元水平排成一行，位于水平波导的上方，每组光基本平行开关单元的工作波长依次为λ₁至λ_n。