三维光电混合片上网络关键技术研究

Many-core chip based on network-on-chip (NoC) is an inevitable trend in the future development of HPC. Hybrid opto-electronic NoC can improve the bandwidth of electronic NoC (ENoC) effectively and solve the existing bottlenecks of optical device technologies. It has become the hot research topic. Further development of the three-dimensional integrated circuits (3D ICs), especially the improvements of through silicon via (TSV) and through silicon photonic via (TSPV), gives a prospect to hybrid opto-electronic NoC. With the rapid growth in the number of nodes and the continuous expanding of network scales, current 2D NoC will face the aggravated problems of limited capacity, bad network reliability, poor scalability, and low energy efficiency, etc. With the researches on interconnection configuration between different layers, 3D topology, router architecture and communication strategy, this project aims to realize a multi-element integration, multi-domain coordination, multi-granularity fusion 3D resilient heterogeneous hybrid opto-electronic architecture. An intelligent collaborative routing algorithm based on situational awareness in distributions of traffic, faults and heat will be designed. The low power hybrid switching mechanism will be studied based on the granularity-adaptive, regional integration and hybrid multiplexing technologies. A multi-domain coordination communication strategy will be proposed. A flexible reconfigurable 3D heterogeneous hierarchical high-radix router is aimed to be realized. The network simulation system for 3D hybrid opto-electronic will be structured. Finally, a 3D hybrid opto-electronic NoC prototype verification system for video applications will be built.

基于片上网络的众核芯片是未来发展的必然趋势，光电混合片上网络有效地提高电片上网络带宽性能，同时解决部分光器件工艺不成熟的问题，成为当前研究热点。三维集成电路技术特别是硅通孔和光硅通孔技术的进一步发展使光电混合片上网络可行。随着节点数快速增长，网络规模不断扩大，二维片上网络方案容量规模有限、可靠性低、可扩展性差和能效低等问题会进一步加剧。本项目研究层间互连方式、三维拓扑结构、路由器设计以及通信策略，实现多元集成、多域协同、多粒度融合的弹性化异构光电混合架构，具体包括设计基于对信息交换颗粒度、故障分布、热量分布等参数动态感知的智能协同路由算法，研究粒度感知、多层统筹、多种复用技术协同的低功耗混合交换机制以及多域协同通信策略；实现灵活可重构、立体异质分级的高阶路由器；构建三维光电混合片上网络全系统仿真平台，最终实现面向视频应用的光电混合片上网络原型验证系统。

三维光电混合片上网络利用光互连和电互连各自优势，将数量众多的IP核进行高效互连以满足高性能计算的需求，成为众核处理器的关键技术之一。本项目研究三维光电混合片上网络的拓扑结构、路由器架构、通信策略以及能源供给系统等关键技术，解决了带宽受限、功耗高等关键问题，取得一系列研究成果，为基于三维光电混合互连网络的众核处理器架构研制提供了技术支撑和理论指导。.依托项目建立了高速TSV和TSPV的等效模型，对研究其热、电同步优化技术具有非常重要的意义。针对当前光交换单元的设计复杂度高、路由配置难等问题，提出一种无源光交换单元的通用构造方法。通过程式化的设计步骤，在保证无阻塞全光交换功能的同时，充分利用器件和波长资源，并大幅提高不同端口规模的交换模块设计效率。同时针对不同应用场景创新性地提出多种光交换单元架构，实现近半数通信场景下零微环控制操作，对降低通信控制功耗作用显著。实现了无阻塞的光通信，提升了通信并行性，通过减少微环谐振器的使用数量降低了光路由器的能耗。针对千核片上网络通信距离长、时延高、损耗大等问题，所提出的3D光电混合互连结构Venus有效支撑千核规模场景下任意核间低跳通信，通信延时低、可扩展性强；Venus还以减少波导交叉作为目标，有效降低了网络通信能耗。针对传统的光片上网络中激光源静态功率开销过大导致能源供给系统效率不足的问题，提出一种基于组的静态激光源供给方案GLaP。GLaP基于单写多读的交叉开关进行设计和能源供给；设计了通用的激光源功率传输和分配架构以满足不同节点的带宽需求。GLaP中所有激光源在整个网络中共享以降低整体激光源功耗开销。.相关研究成果已发表在IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology、IEEE Transactions on Computers、Optics Express、IEEE Photonics Journal等领域内Top期刊，达到国际先进水平，为实现高可靠、低功耗、可扩展的大容量三维光电混合片上网络系统奠定理论基础。