[发明专利]基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法

说明书

一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法，通信系统采用光电混合的3D Mesh的网络拓扑结构以及可实现多波长通信的新型七端口无阻塞光路由器，应用于三维光片上网络中时不需转换波长。采用的光路由器减少了微环谐振器、波导等光器件的使用数量。通信方法使每一层的节点发出光信号时采用的波长相同，任意层可接收所有波长的光信号，克服了现有光片上网络架构采用单一波长通信，网络阻塞较大、链路利用率较低、扩展性受限的问题。本发明能够降低网络阻塞概率，降低通信时延，提高吞吐量和网络饱和点。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法，解决现有3D Mesh光片上网络使用单一波长通信网络阻塞严重的问题，提高通信效率。

背景技术

随着集成电路制造技术的进步，片上网络出现，它将计算机网络思想应用于芯片设计，使用网络代替原有的全局布线。片上网络构造了全局连线，故而电气特性得到优化并易于掌控。多个通信流共享布线资源能够使资源得到充分利用：当某节点空闲，其他节点可继续使用网络资源。随着集成电路尺寸的进一步缩小和时钟频率的迅速提高，电互连片上网络面临信号限制(如反射和串扰等)、电磁干扰、时钟偏差等问题。光片上网络通过使用光互连技术，能够提供高带宽和低时延，从而解决点互连面临的带宽瓶颈和功耗限制等问题。随着电子设备微型化的推进，处理器需在计算能力强、能耗低等特点的基础上减小面积，但是处理器计算能力的提高将导致处理器面积、能耗及设计复杂度的增加。三维集成技术是一种新兴技术，能够堆叠多个晶片以实现更短的连线，更高的密度和更小的面积。

三维光片上网络将三维集成技术与光片上互连技术结合，同时包含两者的优势，以实现更高性能。三维光片上网络与二维结构相比，芯片内部的物理连线缩短，降低了数据传输的时延和能耗；并且，芯片面积减小，其封装密度可以持续增加，甚至有望超越摩尔定律。但目前缺乏有效的通信方法和路由器支持3D Mesh网络使用多种波长进行通信。例如，Yaoyao Ye等人在文章“3-D Mesh-Based Optical Network-on-Chip for MultiprocessorSystem-on-Chip”中提出一种基于3D Mesh拓扑的光片上网络，将两层光层汇聚到一层上，网络的可扩展性较差。另外，该网络中使用的七端口无阻塞光路由器无法支持网络的多波长通信，网络性能受到限制。基于波长分配的路由方式使用微环谐振器滤波，根据光信号的波长相对应地路由光信号，无需等待和仲裁，由于光传播速度快，因此使用波长路由时，信息传输时延可以很短。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统及方法，解决使用单一波长通信而导致的网络扩展性有限和时延高等问题。

为了实现上述目的，本发明基于波长分配的三维光片上网络路由器通信系统包括采用相同拓扑结构的光传输网络和电控制网络，拓扑结构包括k·N²个相互连接的节点，式中的k为层数，N²为每层的节点数，k与N为正偶数；光传输网络中的每个节点包括一个调制器、一个解调器、一个光路由器，并且光路由器的注入/注出端口通过光/电接口与电控制网络相连接，电控制网络中的每个IP核和光传输网络中的每个光路由器相对应；建立三维坐标系，确定出所有节点的坐标(x，y，z)，则光传输网络能够传输波长为λ₀，λ₁，…λ_k-1的光信息；

所述的光路由器包括窄带微环谐振器，窄带微环谐振器组以及光波导，窄带微环谐振器和窄带微环谐振器组用于实现片上光信号的转向，光波导用于实现片上光信号的传输。

所述的光路由器为七端口光路由器，包括二十二个窄带微环谐振器，两个窄带微环谐振器组以及八根光波导；所述的光波导包括两根S形光波导，一根竖直方向的L形光波导，一根竖直方向的U形光波导和四根弯曲光波导；第一弯曲光波导，第二弯曲光波导和第四弯曲光波导包括两个90度拐点，第三弯曲光波导包括四个90度拐点。