面向高性能计算系统的波长可重构光交换网络技术研究

With the extraordinary progress in computing performance and the coming era of Exascale systems, the communication requirements on bandwidth and power consumption will soon outpace the fundamental capability of conventional electrical interconnection networks. Optical interconnects represent a potentially disruptive technology that currently penetrates into end-to-end communications between switches, servers and even processors. In order to solve the problems occurring when employing optical technologies into the computing systems, we propose to utilize microring resonators as the switch component to construct a 32x32 high radix switch and further build a wavelength reconfigurable hybrid packet and circuit switching network by leveraging the wavelength selectivity and fast switching capability of microring and circuit switching capability by MEMS. This switch fabric is designed to support 50Gb/s per wavelength and 8-wavelength packet switching, less than 1 us for minimum latency, less than 75% power consumption. Besides, an optical network interface is proposed to bridge the gap between the well-established protocol layers and physical layer of the proposed photonic networks..The proposed solutions in this project will be the disruptive technology for next generation high performance computing and are expected to have great academic significance and commercial value.

在超级计算机走向百亿亿级的过程中，数据传递交换的带宽和功耗成为制约系统性能最为关键的因素。光通信技术可以突破电子技术的信道带宽和传输距离等瓶颈，将是未来互联网络中主导技术，并逐渐渗透入计算系统交换机、服务器甚至芯片处理器当中。针对全光互联网络融入当前系统所面临的挑战，本项目围绕光交换器件、交换网络、交换控制和接口技术等四个方面的研究对象，采用微环谐振器件作为集成化的32x32大基数交换矩阵，利用其波长选择性与快速交换性，并结合MEMS交换矩阵构建波长可重构的混合光分组和电路交换网络。实现单波长速率50Gb/s、至少8个波长的分组交换，最小交换时延小于1us，交换功率下降75%。此外，通过光接口桥接高速互联协议与高速光互联网络，实现跨协议层的互联网络与应用框架的整合，为光互联网络的实际应用提供平台基础。.本项目的研究为下一代超算系统提供一种全光互联网的解决方案，具有重要的科研意义和市场价值。

在超级计算机走向百亿亿级的过程中，数据传递和交换的带宽和功耗成为制约系统性能最为关键的因素。光通信技术可以突破电子技术的信道带宽和传输距离等瓶颈，将是未来互联网络中主导技术，并逐渐渗透入计算系统交换机、服务器甚至芯片处理器当中。目前，面向高速、低功耗、可靠的集成光互连需求，为了突破激光器和微环谐振器等基础器件的物理限制，本项目重点研究基于垂直腔面激光器（VCSEL）和多模光纤的短距光互连技术和基于微环谐振器件的多波长光网络系统，在高速多模激光器建模、光模式调控、新型非线性均衡、和微环谐振器多波长稳定控制技术等方面产生了一系列研究成果。提出了针对50GBaud的高能效高速VCSEL发射机的光电一体化设计框架；提出L1正则化辅助的门限剪枝重训练方法和迭代剪枝算法和反馈式空间模式调控方案，实现了单通道多模112Gbps和100m可靠传输，非线性均衡算法最大复杂度降低超过70%，国内首次报道了量产级200Gb/sVCSEL阵列芯片，参与研制的56Gbps有源光缆产品批量应用于天河二号超级计算机。利用集成微环谐振器的多维特性和高速低功耗特性，提出了基于时频交织技术的可编程矩阵乘加运算方案，实现每计算单元100GMAC/s乘加运算算力。提出了多维微扰控制稳定技术，并将此技术应用到光纤振动传感领域，实现动态应变分辨率超过30nano-strain/sqrt(Hz)，波长误差为0.84pm。研究成果为下一代超算系统提供一种集成高速光互连解决方案，具有重要的科研意义和市场价值。