基本介紹
簡介,背景,結構,發展方向,
簡介
片上光網路（Optical Network-on-Chip，簡稱ONoC）是一種針對MPSoC（多處理器系統晶片）的新型片上網路。傳統的片上網路利用電子信號來傳遞資料，因此稱為電子片上網路（ENoC），其效能和和效率會受到晶片中金屬線遠少於電晶體的數量差異所限制。在許多通訊領域中，光學通訊已成功的取代了電氣通訊。隨著光子學技術的進展，在片上光網路上已有許多相關的研究在進行。
背景
隨著棵去寒 CMOS 集成工藝進入到納米時代，基於共享匯流排結構已經無法滿足片上系統 SoC( System-on-Chip，簡稱 SoC)系統的需要，因此有人提 出用片上網路( Network-on- Chip ，簡稱 NoC)解決網路間通信問題。其目的是將計算機網路技術移植到晶片設計中來，從體系結構上徹底解決匯流排 架構帶來的問題。目前隨著電路集成度和工作頻率的提高，晶片上互連線的寄生效應如寄生電容、 延遲時間、信號串擾等問題變得十分顯著。在功耗受限情況下，晶片的性能功耗比將會變得特別尖銳 。當積體電路工作頻率迅速提高至幾 GHz 甚至更高時，常規電互連將無法高效地傳輸信號。 因此，需要一種新的互連方式。光互連作為一種潛 在的互連方法，具有許多電介質不可比擬的優點。 光波在高速傳遞和處理時具有傳輸頻寬高、信號間延遲低、光損耗低、抗干擾等優點。基於這種優勢， 提出了片上光網路( Optical Network-on-Chip ， 簡 稱 ONoC)。 在傳統的片上網路 N oC 中，報文傳輸、存儲和 交換所產生炒慨永的功耗是隨著數據傳輸速率的增加而 成平方增長的。而在片上光網路中，當光鏈路建立 後，報文傳輸不再需要存儲、中繼等，其功耗非常 低。同時，在片上光網路 ON oC 中有一個很好的 性質—位速率透明性( Bit Rate Transparency) ，即 互連網路中的光開關的功耗和交換速率與所交換 的數據報文的位速率是無關的。這是因為，光開關 只有在進行狀態切換的時候才會產生功耗，而一個 報文在正常傳輸的時候，在光開關上基本沒有功耗 產生，光信號只是從光開關上經過。而光開關狀態 的切換是在相鄰報文間進行，因此在以光開關構成 的光互連網路中，功耗與報文的位速率是無關的。 目前基於矽基技術的發展基本趨於成熟，矽基 高速電光調製器 、矽基雷射器和 SiGe 光電探測器等都取得了突破性進展。基於 CMOS 集成調 制器、雷射器、光波導以及光電探促淋測器的晶片間通 信技術已經被報導並且正被商業化。因此，在單 晶矽上用 VLSI 技術集成光器件(調製器、光波導、 探測器、光開關) 已經可行。 片上光網路 ONoC 最早提出於 2006 年，用於 解決片內和片間通信的功耗問題，是納米級別 的光互連網路。目前，片上光網路 ONoC 的主要 研究集中在功耗、性能、延遲以及可靠性等領域。 由於目前無法進行光存儲和光信息的處理，片上光 網路 ONoC 採用了光電混合的方式實現片內通 信。片上籃歡牛櫻光網路 ONoC 的研究主要在基於匯流排技 術和網路結構技術方面。
結構
片上光網路 ONoC 的 Bus 結構是採用光匯流排進行全局的互連和採用電互連進行局部互連的混 合互連結構。混合互連結構首先在全局互連中，光 匯流排互連可以降低電互連中市只葛存在的延時問題; 其 次，在局部互連中採用電互連比採用光互連具有很 大的靈活性。混合互連網路結構可以極大地提高 片上網路的吞吐率、性能功耗比等等。
片上光網路 ONoC 的 Torus 結構是哥倫比亞 大學提出的一種光電混合網路，包含光互連網路和 電控制網路。同片上網路 NoC 一樣，片上光網路 也是採用與拒廈兵燥之相同的術語，如節點、直徑、路由算 法、流控機制等。在片上光網路中，光網路用來傳 輸光線路交換的長報文，電控制網路用來傳輸短報 文和電分組交換報文。這裡混合網路結構既指線 路交換和分組交換的混合又指光和電技術的混合。 光互連技術在能耗和頻寬方面有獨特的優勢，但是 不具有對報文的存儲和處理的光設備; 而電片上網 絡在功能和靈活性上具有很多優勢，但片上網路的
功耗隨著傳輸頻寬的增加而成比例增長。因 此，片上光網路採用的混合結構使用兩層網路: ( 1) 光互連網路，是由光波導連線光開關組合而成，用 來傳輸長報文; ( 2)電控制網路，其拓撲結構與光互 連網路完全一樣，用來執行操作和傳輸控制報文。 每個光報歡榜凳文在傳輸前都加上一個電控制報文作為 其前導報文(路徑建立報文) ，該報文在電控制網路 上進行傳輸和路由，為光報文的傳輸獲取路徑。在 光網路中快取光報文是不可行的，因為目前沒有相 關的光存儲設備(如觸發器、RAM 等)。因此，除 非必要，存儲只發生在光路徑建立階段的電控制報 文。路徑一旦被建立，光報文就立即被傳送，在這 個過程中間不存在報文的快取。這個階段可以理 解為光線路交換: 本質上，建立的路徑就是兩個處 理器核之間的光路徑，因而具有低功耗、低延時、高 頻寬的通信。 採用光路徑傳輸的主要優勢在於光傳輸介質 的特性: 位速率透明性質。在基於 CMOS 工藝 的路由必須交換每一位傳輸的數據，其動態功耗與 傳輸的位速率成正比; 而光開關的開關是由每一個 報文來決定的，因此其動態功耗與傳輸數據的位速 率無關。這種屬性使得片上光網路比片上網路具 有更低的功耗和更高的性能。 採用光網路進行通信的另一個優勢在於: 低損 耗的光波導。在晶片級，光在光波導上傳輸的距離 與損耗無關，即光信號在片上傳輸 2mm 與傳輸 2cm 的損耗是一樣的。
發展方向
最近，由於光電集成技術與三維( 3D)封裝技 術能夠完全融合以及 3D 片上網路可以極大地降 低網路資源利用率、傳輸延時等。因此，片上光網 絡除了平面上的網路外，片上光網路也在向 3D 片上光網路發展。3D 片上網路使用多層矽片，每層 分別利用單獨的工藝進行處理，最終進行堆疊粘接形成 3D 結構，通過矽過孔技術進行上下層之間通 信。 Sun 與 IBM 相繼提出了 3D 片上光互連網路 技術。Sun 相關人員提出了到 2015 年，採用 新型 22nm 工藝技術，利用波分復用技術和多波長 交換技術，形成多層三維全光交換的片上網路。 Sun 命名這種片上多核晶片為 Macrochip。該芯 片採用基於波長調製的全光互連網路，其中核與核 之間用波導進行連線。IBM 也提出了 22nm 的 3D 多層光電混 合片上互 連網路。利用 矽過孔技術建立單層片上多核、多層存儲器以及光互 連網路層的 3D片上網路，可以極大地降低和緩解 多核帶來的網路通信壓力，同時可以降低網際網路 的功耗。
結構
片上光網路 ONoC 的 Bus 結構是採用光匯流排進行全局的互連和採用電互連進行局部互連的混 合互連結構。混合互連結構首先在全局互連中，光 匯流排互連可以降低電互連中存在的延時問題; 其 次，在局部互連中採用電互連比採用光互連具有很 大的靈活性。混合互連網路結構可以極大地提高 片上網路的吞吐率、性能功耗比等等。
片上光網路 ONoC 的 Torus 結構是哥倫比亞 大學提出的一種光電混合網路，包含光互連網路和 電控制網路。同片上網路 NoC 一樣，片上光網路 也是採用與之相同的術語，如節點、直徑、路由算 法、流控機制等。在片上光網路中，光網路用來傳 輸光線路交換的長報文，電控制網路用來傳輸短報 文和電分組交換報文。這裡混合網路結構既指線 路交換和分組交換的混合又指光和電技術的混合。 光互連技術在能耗和頻寬方面有獨特的優勢，但是 不具有對報文的存儲和處理的光設備; 而電片上網 絡在功能和靈活性上具有很多優勢，但片上網路的
功耗隨著傳輸頻寬的增加而成比例增長。因 此，片上光網路採用的混合結構使用兩層網路: ( 1) 光互連網路，是由光波導連線光開關組合而成，用 來傳輸長報文; ( 2)電控制網路，其拓撲結構與光互 連網路完全一樣，用來執行操作和傳輸控制報文。 每個光報文在傳輸前都加上一個電控制報文作為 其前導報文(路徑建立報文) ，該報文在電控制網路 上進行傳輸和路由，為光報文的傳輸獲取路徑。在 光網路中快取光報文是不可行的，因為目前沒有相 關的光存儲設備(如觸發器、RAM 等)。因此，除 非必要，存儲只發生在光路徑建立階段的電控制報 文。路徑一旦被建立，光報文就立即被傳送，在這 個過程中間不存在報文的快取。這個階段可以理 解為光線路交換: 本質上，建立的路徑就是兩個處 理器核之間的光路徑，因而具有低功耗、低延時、高 頻寬的通信。 採用光路徑傳輸的主要優勢在於光傳輸介質 的特性: 位速率透明性質。在基於 CMOS 工藝 的路由必須交換每一位傳輸的數據，其動態功耗與 傳輸的位速率成正比; 而光開關的開關是由每一個 報文來決定的，因此其動態功耗與傳輸數據的位速 率無關。這種屬性使得片上光網路比片上網路具 有更低的功耗和更高的性能。 採用光網路進行通信的另一個優勢在於: 低損 耗的光波導。在晶片級，光在光波導上傳輸的距離 與損耗無關，即光信號在片上傳輸 2mm 與傳輸 2cm 的損耗是一樣的。
發展方向
最近，由於光電集成技術與三維( 3D)封裝技 術能夠完全融合以及 3D 片上網路可以極大地降 低網路資源利用率、傳輸延時等。因此，片上光網 絡除了平面上的網路外，片上光網路也在向 3D 片上光網路發展。3D 片上網路使用多層矽片，每層 分別利用單獨的工藝進行處理，最終進行堆疊粘接形成 3D 結構，通過矽過孔技術進行上下層之間通 信。 Sun 與 IBM 相繼提出了 3D 片上光互連網路 技術。Sun 相關人員提出了到 2015 年，採用 新型 22nm 工藝技術，利用波分復用技術和多波長 交換技術，形成多層三維全光交換的片上網路。 Sun 命名這種片上多核晶片為 Macrochip。該芯 片採用基於波長調製的全光互連網路，其中核與核 之間用波導進行連線。IBM 也提出了 22nm 的 3D 多層光電混 合片上互 連網路。利用 矽過孔技術建立單層片上多核、多層存儲器以及光互 連網路層的 3D片上網路，可以極大地降低和緩解 多核帶來的網路通信壓力，同時可以降低網際網路 的功耗。
