低功耗光片上网络的设计与研究

片上网络从体系结构上解决了现有总线结构芯片设计所面临的可扩展性能等诸多问题，是下一代高性能芯片设计的发展方向。但是随着芯片工艺的进一步提高以及应用带宽的不断增加,传统的电片上网络面临时延长、电磁互扰严重、串扰大、损耗大、电子带宽瓶颈和功耗限制等诸多问题,而光片上网络是解决这一问题的有效途径。本课题在跟踪片上光器件的最新研究发展动态的基础上，通过对拓扑结构、路由器结构、路由算法及交换机制等关键技术的研究，构建基于簇的新型无阻塞拓扑结构，设计具有流量均衡和防死锁功能的严格无阻塞片上光路由器，引入损耗为优化目标兼顾时延和功耗设计新的自适应路由算法，改进现有交换机制并综合其优势设计混合交换机制。最后，搭建仿真平台，从吞吐、时延、功耗、损耗、面积等方面对所提方案进行分析，与现有结构进行对比后进一步优化完善设计方案。

随着半导体和电路集成技术的飞速发展，单个芯片上可集成的处理器核数目越来越多。由于电互连存在高能耗、高时延、串扰严重等固有缺陷，因此基于电互连的片上网络很难满足核间的高速通信需求。光互连具有低时延、高带宽以及低能耗的传输特性，可以有效解决当前片上网络面临的诸多瓶颈，随着硅光子技术的发展，光互连成为片上通信的高效方式，吸引越来越多研究人员的关注。本项目重点研究了拓扑结构、光路由器、路由算法及交换机制等关键技术。.针对基于光电路交换的光片上网络存在阻塞严重以及光路由器结构复杂等问题，提出一种基于拉丁方阵的波长分配方式，降低网络阻塞，简化光路由器和光网络结构，并设计出相应的WANoC（Wavelength Assignment NoC）网络。仿真结果表明WANoC可以大幅提高时延、能耗等性能。针对WANoC存在建链开销大、网络占用资源多的问题，我们重新设计了电控制网络和光传输网络的互连结构，从而提出了CWNoC（Optical Network-on-Chip Using Central-controlled Subnet and Wavelength Assignment）结构，整个电控制网络划分为子网，采用分级互连的方式使整个网络的资源控制集中化，在光传输网络中通过使用宽带微环谐振器简化整个光网络的结构。除此以外，我们还设计严格无阻塞片上光路由器，提出了一种降低网络串扰的路由算法，以提升网络的可靠传输能力。改进现有交换机制并综合其优势设计混合交换机制。我们还对激光源功率分配问题，以及可靠性问题进行了研究。为解决激光源功率分配问题，我们提出了基于TDM的光功率分配方法，建立数学模型，并采用遗传算法对模型进行求解。为解决可靠性问题，我们建立了光片上网络的热传输模型，进而定量地分析热效应对可靠性的影响。