一种多播广播通信感知的光片上网络架构及通信方法技术

本发明专利技术提出了一种多播广播通信感知的光片上网络架构及通信方法，用于解决现有技术中存在的光片上网络架构功耗较高和可扩展性较差的技术问题，以及通信方法存在的时延和功耗均较大的技术问题，光片上网络架构中将处理器模块划分为阵列排布的簇，每个簇包含有由2×4个处理器模块组成的阵列，每个处理器模块通过耦合端口与一个第一有源微环谐振器耦合相连，阵列排布的簇之间通过蛇形光波导结构相连接并簇为单位扩展，同时第一有源微环谐振器与光波导之间的耦合距离分布由功率分离系统原理进行设置。通信方法中全局控制单元对处理器模块的通信请求进行处理，将得到的控制信息发送至多波长激光源与第一有源微环谐振器进行网络通信配置。

【技术实现步骤摘要】
一种多播广播通信感知的光片上网络架构及通信方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种多播广播通信感知的光片上网络架构及通信方法，可用于计算系统芯片中处理器模块之间的多播广播通信。
技术介绍
随着单芯片上集成的处理器核数呈指数型增长，使得处理器核之间的高性能通信成为片上众核计算系统性能提升的关键。基于计算机网络设计思想的片上网络较传统片上通信架构能够有效改善处理器核间通信性能，成为片上众核计算系统的首选方案。随着片上网络规模的不断扩展以及高性能计算应用的发展，目前基于电互连的片上网络面临处理器核间通信的带宽、时延、功耗等因素的限制。基于光互连的光片上网络能够有效打破传统电互连片上网络的性能限制，提供更高的带宽密度、更小的通信时延以及更低的系统功耗，有效提升处理器核间通信性能。因此，光片上网络已经成为通信
中片上众核计算系统的关键技术。同时，光片上网络中缓存一致性协议的广泛应用与计算密集型和数据密集型应用等的出现，使处理器核间通信中多播广播通信占比不断增加，最高占比已达到52.4％。同时，研究指出5％的多播广播通信能够导致网络负载的饱和点降低42％～74％，平均时延增加7～22倍。因此，设计有效支持多播广播通信的光片上网络架构以及通信方法已经成为提升片上众核计算系统性能的关键。目前，如何通过合理的光波导与微环谐振器等光器件的布局设计，减少网络中的波长资源开销以及光插入损耗，改善网络的功耗，可扩展性，并行性，是目前进行支持多播广播通信的光片上网络架构设计的主要研究内容。基于微环谐振器的光功率分离技术，通过设置微环谐振器与功率波导之间的耦合距离实现对光功率的N等分(目前最大可实现对功率的8等分)，从而充分利用波长资源，可以有效应用的在光片上网路架构设计中。同时，如何改善多播广播通信的时延，带宽和功耗性能，是目前进行支持多播广播通信方法设计的主要研究内容。现有的支持多播广播通信的光片上网络架构，从目前公开的资料来看：申请公布号为CN103442311A,名称为“支持多播通信的光片上网络系统”的专利申请，公开了一种支持多播通信的光片上网络系统。该光片上网络系统的实施方式是：合理布局第一级光交换网络和第二级光交换网络中的光波导和多波长微环谐振器，确保每个通信节点能够向其他所有通信节点同时发送光信号，实现多播广播通信的功能。该光片上网络系统存在的不足在于相同规模下两级光交换单元中所使用微环谐振器和光波导数目较多，由此引入的光插入损耗较高，导致网络存在高功耗问题，此外两级网络中光波导的布局设计的面积开销较大，导致可扩展性差问题。俄亥俄大学的RandyMorris等人在2014年IEEETransactionsonParallelandDistributedSystems期刊第2期上发表了名为“ExtendingthePerformanceandEnergy-EfficiencyofSharedMemoryMulticoreswithNanophotonicTechnology”的论文。论文中公开了一种基于树形的支持多播广播通信的光片上网络架构及通信方法。所提出的光片上网络架构通过在每个树形分支采用一分二功率分离器和有源微环谐振结合实现整个树形网络中的多播广播通信。该光片上网络架构存在的不足在于所采用的光功率分离器以会导致较高光插入损耗，从而导致激光源功耗较大。同时所提出的通信方法中由于使用光令牌仲裁，通信过程中的控制配置引入了额外的光电转换，导致通信时延较高；此外通信方法中采用基于通信节点的波长分配导致激光源每次通信所产生的光信号较多，增加了激光源的功耗开销。西安电子科技大学的FeiyangLiu等人在2016年IEEE10thInternationalSymposiumonEmbeddedMulticore/Many-coreSystems-on-Chip(MCSOC)国际会议中发表了名为“DynamicRing-BasedMulticastwithWavelengthReuseforOpticalNetworkonChips”的论文，公开了一种基于环形的支持多播广播通信的光片上网络架构及通信方法。光片上网路架构由处理器核层，控制层和传输层构成，控制层接收来自处理器核层的多播请求并通过多播环分配器分配控制层中的多播环作为路由路径，同时传输层根据该路由路径实现多播广播通信传输。该光片上网络架构及通信方法存在的不足在于多层级通信的控制配置过程引入额外的时延并增加传输过程中的光插入损耗，导致多播广播通信的时延和功耗较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种多播广播通信感知的光片上网络架构，用于解决现有技术中存在的光片上网络架构功耗较高和可扩展性较差的技术问题，以及通信方法存在的时延和功耗均较大的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种多播广播通信感知的光片上网络架构，包括多波长激光源1、通信子网2、全局控制单元3和n个处理器模块4，n∈[8,256]且取8的倍数，其中：所述多波长激光源1，用于向通信子网2提供光信号；所述通信子网2，包括光波导21、n个耦合端口22和n个第一有源微环谐振器23；所述光波导21，用于实现处理器模块4之间的光信号传输；所述第一有源微环谐振器23，用于将光波导21中的光信号耦合进相应的耦合端口22；所述耦合端口22，用于将光波导21中的光信号传输至相应的处理器模块4；所述全局控制单元3，包括缓存队列31、仲裁单元32和解析单元33；所述缓存队列31，用于接收并存储处理器模块4的通信请求；所述仲裁单元32，用于对缓存队列31中的通信请求进行仲裁；所述解析单元33，用于对仲裁后的通信请求进行解析，并将解析后的控制信息发送至多波长激光源1和第一有源微环谐振器23；所述处理器模块4，用于接收、处理、发送和存储数据，同时对光信号进行调制和解调；所述n个处理器模块4形成x×y阵列排布的k个簇，k＝n/8，每个簇包含有由2×4个处理器模块4组成的阵列，每个处理器模块4连接一个耦合端口22，每个耦合端口22耦合相连一个第一有源微环谐振器23；所述光波导21沿多波长激光源1输出方向与第一行簇内的第1行处理器模块4的连接后向下延伸，反向与第一行簇内的第2行处理器模块连接，直至按此方法完成与其余行簇内的处理器模块4的连接，再向上延伸依次穿过第一行簇内第1行与第2行第一有源微环谐振器23的中间，向下延伸反向依次穿过第二行簇内第1行与第2行有源微环谐振器中间，直至穿过Clusterk内所有第一有源微环谐振器23，形成蛇形光波导结构；所述k个簇中同一簇内的第一有源微环谐振器23，其与光波导21的之间的耦合距离根据功率分离系统原理设置；同一簇内第一有源微环谐振器23的各谐振器的尺寸相同，不同簇内的第一有源微环谐振器23的各谐振器的尺寸不同，每个谐振器的谐振波长由自身的尺寸确定。上述的一种多播广播通信感知的光片上网络架构，所述处理器模块4，包括4个处理器核41、4个私有一级缓存42、共享二级缓存43、解调单元44和调制单元45，其中：所述处理器核41，用于与私有一级缓存42进行通信，并根据指令对数据进行处理；所述私有一级缓存42，用于存储处理器核41所需的数据，并与处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多播广播通信感知的光片上网络架构，包括多波长激光源(1)、通信子网(2)、全局控制单元(3)和n个处理器模块(4)，n∈[8,256]且取8的倍数，其中：所述多波长激光源(1)，用于向通信子网(2)提供光信号；所述通信子网(2)，包括光波导(21)、n个耦合端口(22)和n个第一有源微环谐振器(23)；所述光波导(21)，用于实现处理器模块(4)之间的光信号传输；所述第一有源微环谐振器(23)，用于将光波导(21)中的光信号耦合进相应的耦合端口(22)；所述耦合端口(22)，用于将光波导(21)中的光信号传输至相应的处理器模块(4)；所述全局控制单元(3)，包括缓存队列(31)、仲裁单元(32)和解析单元(33)；所述缓存队列(31)，用于接收并存储处理器模块(4)的通信请求；所述仲裁单元(32)，用于对缓存队列(31)中的通信请求进行仲裁；所述解析单元(33)，用于对仲裁后的通信请求进行解析，并将解析后的控制信息发送至多波长激光源(1)和第一有源微环谐振器(23)；所述处理器模块(4)，用于接收、处理、发送和存储数据，同时对光信号进行调制和解调；其特征在于：所述n个处理器模块(4)形成x×y阵列排布的k个簇，k＝n/8，...

【技术特征摘要】
1.一种多播广播通信感知的光片上网络架构，包括多波长激光源(1)、通信子网(2)、全局控制单元(3)和n个处理器模块(4)，n∈[8,256]且取8的倍数，其中：所述多波长激光源(1)，用于向通信子网(2)提供光信号；所述通信子网(2)，包括光波导(21)、n个耦合端口(22)和n个第一有源微环谐振器(23)；所述光波导(21)，用于实现处理器模块(4)之间的光信号传输；所述第一有源微环谐振器(23)，用于将光波导(21)中的光信号耦合进相应的耦合端口(22)；所述耦合端口(22)，用于将光波导(21)中的光信号传输至相应的处理器模块(4)；所述全局控制单元(3)，包括缓存队列(31)、仲裁单元(32)和解析单元(33)；所述缓存队列(31)，用于接收并存储处理器模块(4)的通信请求；所述仲裁单元(32)，用于对缓存队列(31)中的通信请求进行仲裁；所述解析单元(33)，用于对仲裁后的通信请求进行解析，并将解析后的控制信息发送至多波长激光源(1)和第一有源微环谐振器(23)；所述处理器模块(4)，用于接收、处理、发送和存储数据，同时对光信号进行调制和解调；其特征在于：所述n个处理器模块(4)形成x×y阵列排布的k个簇，k＝n/8，每个簇包含有由2×4个处理器模块(4)组成的阵列，每个处理器模块(4)连接一个耦合端口(22)，每个耦合端口(22)耦合相连一个第一有源微环谐振器(23)；所述光波导(21)沿多波长激光源(1)输出方向与第一行簇内的第1行处理器模块(4)连接后向下延伸，反向与第一行簇内的第2行处理器模块(4)连接，直至按此方法完成与其余行簇内的处理器模块(4)的连接，再向上延伸依次穿过第一行簇内第1行与第2行第一有源微环谐振器(23)的中间，向下延伸反向依次穿过第二行簇内第1行与第2行有源微环谐振器中间，直至穿过Clusterk内所有第一有源微环谐振器(23)，形成蛇形光波导结构；所述k个簇中同一簇内的第一有源微环谐振器(23)，其与光波导(21)的之间的耦合距离根据功率分离系统原理设置；同一簇内第一有源微环谐振器(23)的各谐振器的尺寸相同，不同簇内的第一有源微环谐振器(23)的各谐振器的尺寸不同，每个谐振器的谐振波长由自身的尺寸确定。2.根据权利要求1所述的一种多播广播通信感知的光片上网络架构，其特征在于，所述处理器模块(4)，包括4个处理器核(41)、4个私有一级缓存(42)、共享二级缓存(43)、解调单元(44)和调制单元(45)，其中：所述处理器核(41)，用于与私有一级缓存(42)进行通信，并根据指令对数据进行处理；所述私有一级缓存(42)，用于存储处理器核(41)所需的数据，并与处理器核(41)和共享二级缓存(43)进行通信；所述共享二级缓存(43)，用于存储私有一级缓存(42)所需的数据；同时与私有一级缓存(42)、调制单元(44)和解调单元(45)进行通信；所述调制单元(44)，用于根据共享二级缓存(43)发送的电信号对光波导(21)中的光信号进行调制；所述解调单元(45)，用于将耦合端口(22)中的光信号解调为共享二级缓存接收的电信号。3.根据权利要求2所述的一种多播广播通信感知的光片上网络架构，其特征在于，所述调制单元(44)，包括序列化单元(441)、驱动电路(442)和k个第二有源微环谐振器(443)，其中：所述序列化单元(441)，用于将共享二级缓存(43)输出的多路低速电信号序列化为一路高速电信号；所述驱动电路(442)，用于根据序列化单元(441)产生的高速电...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾华玺，赵龙，杨银堂，王琨，王康，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61