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基于最小损耗路由算法的片上光网络的物理特性分析与优化

羊小苹  
【摘要】:随着工艺技术与硅基光子技术的迅速发展,晶体管的体积越来越小,集成在单一芯片上的晶体管数量也越来越多。电路的集成度日益增大,片上多核处理器系统(Multiprocessor systems-on-chips,MPSo Cs)应运而生并得到了广泛的关注,如何实现处理核之间的高效互连是MPSo Cs的研究重点。片上网络(Network-on-chip,No C)是一种新型的通信方法,其借鉴了分布式计算系统的知识并利用分组路由的方式进行片内通信,克服了MPSo Cs传统总线架构功耗高、面积开销大等缺点,因此,No C成为了一大研究热点。但是,随着对No C的深入研究,其逐渐显示出许多缺点,例如,电磁干扰大,信号损耗大,信号间串扰噪声大,时间延迟大等。所以,利用金属互连的No C已逐渐不能满足MPSo Cs快速发展的需求。这时,光互连技术出现在大众视野中,光互连相较于传统电互连,其具有损耗更低、串扰更小、延迟更低以及带宽更高等优点。随着光互连技术的不断发展,利用光连接代替电连接的芯片上光互连网络(Optical networks-on-chip,ONo Cs)被提出,其能有效克服No C所面临的难题。近年来,ONo Cs作为一种新型的片上多核互连技术被认为极具发展前景,因此深受研究者们的青睐,也得到了极大的发展。ONo Cs是指在绝缘衬底上的硅(Silicon on insulator,SOI)芯片上集成激光器、光调制器、光路由器和光电探测器等器件构成的网络。由于这些硅基器件在制造工艺中存在误差,且材料本身具有物理特性,所以当多路信号在ONo Cs中传输时,不可避免地会产生功率损耗以及受到串扰噪声的影响。而且功率损耗与串扰噪声会随着ONo Cs网络规模的扩大而累积,当累积到一定程度时,光信号会发生畸变,导致通信质量下降,严重时甚至会影响整个ONo Cs的通信性能并且限制网络规模的扩展。通过研发基于新型材料的光学器件以及设计新颖的光路由器与ONo Cs结构可以在一定程度上降低功率损耗与串扰噪声。此外,在硅基光子器件的类型以及光路由器和ONo Cs的结构确定后,通过使用路由优化算法选择功耗以及串扰小的路由路径也可有效提升通信质量,而且随着网络规模的逐渐扩大,优化算法在提升网络性能方面将表现更好。因此,本文将功率损耗与串扰噪声作为研究重点,提出了用于2D-Mesh ONo Cs中的路由路径选择算法,并以维序路由算法为参照,分析了在不同网络规模下使用两种路由算法时ONo Cs的物理特性。本文的主要研究内容如下:1.对光传输单元的组成部分,即硅基光波导、微环谐振器以及基本光开关元件进行了理论分析,并建立了基本光开关元件的损耗与串扰噪声的计算模型。2.基于光传输单元的分析,建立了光路由器级别的损耗计算模型,为了更好地对芯片上光网络进行建模,提出了五端口光路由器的近似最坏串扰噪声模型。3.基于基本光学器件以及光路由器的分析,建立了2D-Mesh ONo Cs级别的损耗、串扰噪声、光信噪比以及误码率的计算模型。4.基于损耗与串扰噪声的计算模型,五端口光路由器以及2D-Mesh ONo Cs的结构特点,提出了一种路由优化算法用于选择损耗与串扰小的光链路,将这个优化算法命名为最小损耗路由算法。5.利用Cygnus光路由器来构建2D-Mesh ONo Cs,使用Gurobi与Python进行联合仿真。分析比较了最小损耗路由算法与维序路由算法选择的光路由路径中的损耗、串扰噪声、光信噪比以及误码率。同时,利用Optisystem搭建仿真平台,对两种路由算法得到的数据进行处理得到信号的输入输出波形图、眼图以及最大Q因子。研究结果表明:在2D-Mesh ONo Cs中,当网络规模是5×5且输入光功率为1m W时,采用最小损耗路由算法选择的光路由路径相较于维序路由路径,在功率损耗方面平均降低了16.82%。当网络规模是6×6时,采用最小损耗路由算法选择的光路由路径相较于维序路由路径,在功率损耗方面平均降低了21.19%。除此之外,通过数值仿真可以发现,在串扰噪声、光信噪比、误码率等性能方面,最小损耗路由算法选择的光路由路径较维序路由路径表现出更好的性能。当光信号从处理核(1,1)传输到处理核(P,P)P∈{5,6,7,8,9,10,11,12}时,相较于维序路由算法,最小损耗路由算法能有效降低光信号的损耗、串扰噪声、误码率并提高信号的光信噪比,而且随着网络规模的逐渐扩大,二者差距将更明显。利用Optisystem搭建仿真平台,得到同一光信号经过不同路由算法选择的最长光链路后的输出波形图以及眼图。结果表明,在网络规模较大时,光信号经过最小损耗路由算法选择的最长光链路后仍然能拥有较为清晰的输出波形图以及眼图,可见本文提出的路由算法相较于维序路由算法更能适应网络规模的变化,这对未来大规模的ONo Cs有重要的应用价值。


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