基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器技术

本发明专利技术提出了一种基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器，解决了现有技术存在的垂直方向阻塞严重、TSV分布不均匀、高阶光路由器插入损耗大的技术问题。网络架构共七层，顶层为光网络层，集成有N×N个新型九端口光路由器；底层为纯电层，集成有N×N个五端口电路由器；中间五层每层集成有N×N×4个IP核，中间层中最上层为基准，其余四层分别沿四个对角线方向错位，形成层错机制；所述光路由器提供中间层间高阶光互连，IP核间通信分为节点内部、层内节点间和层间通信，节点内部和层内通信通过中间层光网络，层间通信通过顶层光网络或底层电路由器实现。本发明专利技术解决了传统的3D光片上网络中垂直方向阻塞严重问题，处理器核间高效通信。

Network structure, communication method and optical router based on stacking error on three-dimensional optical chip

The invention provides a three-dimensional optical network on chip router architecture, fault communication method and light based on the vertical direction to solve the problems of existing technology, TSV blocking serious uneven distribution, high order router into the technical problem of large loss. The network architecture of seven layers, the top layer of optical network, integrated with N * N a new nine port optical router; the bottom layer is pure electric layer, integrated with N * N five port router; five middle layer integrated with N * N * 4 IP core, the upper middle layer for reference the remaining four layers, four respectively along the diagonal direction of dislocation, stacking fault formation mechanism; the optical router provides a middle layer between high order interconnection and communication between IP cores is divided into internal nodes, nodes layer and inter layer communication, and communication within the internal node layer through the middle layer of optical network, the communication between the top layer through optical network or bottom electric router. The invention solves the serious problem of blocking the vertical direction in the traditional 3D optical network, and has high efficiency of communication between the processor cores.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，涉及三维光片上网络架构及通信，具体是一种基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器，用于多处理器芯片中的处理器的互连及通信。
技术介绍
高性能计算时代的到来，对处理器芯片的性能提出了越来越高的要求，未来的多核处理器要求片上网络在提供高带宽低时延的同时尽可能降低网络能耗。但随着集成电路特征尺寸的持续缩小和时钟频率的迅速提高，传统的电互连片上网络中的金属互连线面临着带宽受限，时延大，面积大，能耗大等诸多挑战。得益于纳米硅光技术的快速发展，光片上网络中的光波导和光设备能够在消耗很低功率的同时提供很高的带宽。根据国际半导体技术发展蓝图(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductor)预测：利用光进行互连的方式是单芯片多核互连技术的发展趋势。除了纳米光子技术，3D集成技术是克服片上网络性能屏障的另一个有效解决方案。传统的2D片上网络由于只有一个通信层，所有处理器核之间的通信需在相同平面内进行，故而资源竞争激烈，传输时延大；而3D片上网络通过增加第三维度的互连，可以有效降低传输时延，提高集成密度。3D光片上网络，集3D集成技术和光互连技术的优势于一身，成为当下解决片上网络性能问题的热门方案。对于一个N层的网络而言，不同层之间的通信占据了总通信流量的(N-1)/N。此时，传统的低阶垂直互连机制不能提供足够的垂直链路带宽，并极易导致严重的阻塞问题；相比之下，层间高阶互连机制可以有效避免阻塞问题从而更充分地利用3D网络的高带宽优势。但目前缺乏合理的垂直互连线布局方式以及高性能的光路由器来支持层间的高阶互连机制。现有使用层间的高阶互连机制的光片上网络所采用的布局方式会导致垂直互连线分布的不均匀性，进而破坏网络的规则性，限制网络拓展性；还会导致严重的散热问题。此外，现有的高阶光路由器插入损耗较大，导致了网络能耗的增大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的层间高阶互连机制下垂直互连线分布的不均匀问题提供一种基于层错机制的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器。本专利技术是一种基于层错机制的三维光片上网络架构，将多个分布有IP核的通信层通过3D集成技术集成在单一芯片中，并通过垂直互连线连接各层，实现层间的通信，其特征在于，网络架构包括七层，最顶部一层为光网络层，该层共包含了通过mesh网络进行互连的N个节点，N代表mesh网络的维数，为一正整数，每个节点包括一个调制器、一个探测器，以及一个新型九端口无阻塞光路由器；底部一层为集成有若干相互独立的五端口电路由器的电层，其中的电路由器同样采用mesh拓扑进行排布；其余五层为中间层，每层包括一个光通信网络，一个与之重叠的电控制网络以及N×N×4个采用Cmesh拓扑结构进行互连的IP核；中间层中每个节点设置有一个十端口电路由器、一个改进型九端口光路由器以及四个IP核，该电路由器的端口包括构建Cmesh网络的八个端口和连接垂直互连线的上、下端口，改进型九端口光路由器包括构建Cmesh网络的八个端口和下端口，其内部结构和新型九端口光路由器相同，每个十端口电路由器的上、下端口各链接有一根硅穿孔(TSV)用于实现层间互连，网络中所有的IP核及路由器使用(x,y,z,m)坐标系，x,y,z含义同笛卡尔三维坐标系，其中0≤x,y≤(N-1)，0≤z≤6，对于所有的路由器m置为0，对于中间层中的IP核，m正方向为节点内顺时针方向，1≤m≤4，且每一中间层中，光网络和电网络内相同位置的光/电路由器共用同一组坐标信息，每个中间层中坐标信息为x＝x0,y＝y0的节点内的电路由器通过两根TSV分别连接至顶层和底层中坐标信息为x＝x0,y＝y0节点处的新型九端口光路由器和五端口电路由器，实现高效的层间高阶互连。本专利技术还是一种用于基于层错机制的三维光片上网络架构的新型九端口无阻塞光路由器，简称为九端口光路由器，其特征在于，包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口分别用于连接当前九端口光路由器的南侧，北侧，西侧，东侧的九端口光路由器；其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5分别用于通过光/电接口、电/光接口和TSV连接五个中间层中的电路由器，由于网络使用OXY路由算法，该光路由器中不存在南/北向端口至东/西向端口间的光通路。本专利技术还是一种基于层错机制的3D光片上网络的通信方法，其特征在于，包括两种通信类型：1.层间通信，2.层内通信，其中，层内通信包括1.1节点内通信和1.2节点间通信；层间通信则可分为2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信，以及2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，为保证各层网络中负载的均衡，实现资源利用率的最大化，在均匀流量模型下，使用2.1和2.2两种通信方式的流量比例为5:19。基于层错机制的三维光片上网络架构方案、通信方法及路由器结构，可用于解决三维光片上网络在垂直方向通信中的严重阻塞问题以及垂直互连线分布不均问题，本专利技术实现了网络节点之间的高效通信，有良好的可拓展性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是(1)本专利技术使用了层间高阶互连机制，克服了现有光片上网络由于采用低阶线路构成的垂直互连方式而导致的网络阻塞较大，链路利用率较低等问题；通过使用层错机制，各个集成有IP核的中间层在垂直方向上投影不重合，但每个中间层的布局完全相同，有效避免了使用层间高阶互连机制的三维光片上网络所面临的垂直互连线分布不均匀，网络规则性被破坏，网络散热不均匀等问题。(2)本专利技术使用了新型九端口无阻塞光路由器，将光波导置于上下两个平面中，利用了层间微环谐振器，在实现两个平面中光信号的耦合的同时，不引入波导交叉损耗，相较于现有的9端口光crossbar,可明显降低平均插入损耗，进而有效控制网络的整体能耗。(3)本专利技术针对性地使用了三种通信方法，分别用于实现节点内部，层内不同节点间，以及层间的通信，通过省略层间通信中垂直方向的链路建立过程，可有效降低现有的基于电路交换的3D光片上网络在垂直方向上的链路建立时延。附图说明图1本专利技术基于层错机制的三维光片上网络架构三维结构示意图；图2本专利技术基于层错机制的三维光片上网络架构顶层拓扑结构示意图；图3本专利技术基于层错机制的三维光片上网络架构中间层拓扑结构示意图；图4本专利技术基于层错机制的三维光片上网络垂直互连方式示意图；图5本专利技术新型九端口无阻塞光路由器结构示意图；图6本专利技术新型九端口无阻塞光路由器中两种交换单元结构示意图，其中图6(a)为1×2层内基本交换单元结构示意图，图6(b)为1×2层间基本交换单元结构示意图；图7本专利技术架构中间层节点内部详细结构示意图；图8本专利技术通信方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术详细说明。实施例1现有的使用低阶垂直互连线路的3D光片上网络不能充分地利用3D网络的高带宽优势，易导致垂直方向的阻塞问题，而现有的使用层间高阶互连机制的3D光片上网络所采用的布局方式会导致垂直互连线分布的不均匀性，进而破坏网络的规则性，限制网络拓展性；还会导致严重的散热问题；此外，现有的实现层间高阶互连的高阶光路由器插入损耗较大，极易导致网络能耗的增大。针对上述技术问题，本专利技术展开了创新与研本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于层错的三维光片上网络架构，将多个分布有IP核的通信层通过3D集成技术集成在单一芯片中，并通过垂直互连线连接各层，实现层间的通信，其特征在于，网络架构包括七层，最顶部一层为光网络层，该层共包含了通过mesh网络进行互连的N个节点，N代表mesh网络的维数，为一正整数，每个节点包括一个调制器、一个探测器，以及一个新型九端口无阻塞光路由器；底部一层为集成有若干相互独立的五端口电路由器的电层，其中的电路由器同样采用mesh拓扑进行排布；其余五层为中间层，每层包括一个光通信网络，一个与之重叠的电控制网络以及N×N×4个采用Cmesh拓扑结构进行互连的IP核；中间层中每个节点设置有一个十端口电路由器、一个改进型九端口光路由器以及四个IP核，该电路由器的端口包括构建Cmesh网络的八个端口和连接垂直互连线的上、下端口，改进型九端口光路由器包括构建Cmesh网络的八个端口和下端口，其内部结构和新型九端口光路由器相同，每个十端口电路由器的上、下端口各链接有一根硅穿孔(TSV)用于实现层间互连，网络中所有的IP核及路由器使用(x,y,z,m)坐标系，x,y,z含义同笛卡尔三维坐标系，其中0≤x,y≤(N‑1)，0≤z≤6，对于所有的路由器m置为0，对于中间层中的IP核，m正方向为节点内顺时针方向，1≤m≤4，且每一中间层中，光网络和电网络内相同位置的光/电路由器共用同一组坐标信息，每个中间层中坐标信息为x＝x0,y＝y0的节点内的电路由器通过两根TSV分别连接至顶层和底层中坐标信息为x＝x0,y＝y0节点处的新型九端口光路由器和五端口电路由器，实现高效的层间高阶互连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于层错的三维光片上网络架构，将多个分布有IP核的通信层通过3D集成技术集成在单一芯片中，并通过垂直互连线连接各层，实现层间的通信，其特征在于，网络架构包括七层，最顶部一层为光网络层，该层共包含了通过mesh网络进行互连的N个节点，N代表mesh网络的维数，为一正整数，每个节点包括一个调制器、一个探测器，以及一个新型九端口无阻塞光路由器；底部一层为集成有若干相互独立的五端口电路由器的电层，其中的电路由器同样采用mesh拓扑进行排布；其余五层为中间层，每层包括一个光通信网络，一个与之重叠的电控制网络以及N×N×4个采用Cmesh拓扑结构进行互连的IP核；中间层中每个节点设置有一个十端口电路由器、一个改进型九端口光路由器以及四个IP核，该电路由器的端口包括构建Cmesh网络的八个端口和连接垂直互连线的上、下端口，改进型九端口光路由器包括构建Cmesh网络的八个端口和下端口，其内部结构和新型九端口光路由器相同，每个十端口电路由器的上、下端口各链接有一根硅穿孔(TSV)用于实现层间互连，网络中所有的IP核及路由器使用(x,y,z,m)坐标系，x,y,z含义同笛卡尔三维坐标系，其中0≤x,y≤(N-1)，0≤z≤6，对于所有的路由器m置为0，对于中间层中的IP核，m正方向为节点内顺时针方向，1≤m≤4，且每一中间层中，光网络和电网络内相同位置的光/电路由器共用同一组坐标信息，每个中间层中坐标信息为x＝x0,y＝y0的节点内的电路由器通过两根TSV分别连接至顶层和底层中坐标信息为x＝x0,y＝y0节点处的新型九端口光路由器和五端口电路由器，实现高效的层间高阶互连。2.根据权利要求1所述的基于层错的三维光片上网络架构，其特征在于，3D光片上网络中，各中间层采用完全相同的拓扑和布局，垂直方向投影不重合；以中间层中的最上层为基准，其余四个中间层分别沿m＝1方向，m＝2方向，m＝3方向，m＝4方向平移IP核与电路由器互连线的长度，使得各中间层中用于实现层间高阶互连的TSV的交错且均匀分布，形成层错结构。3.一种用于基于层错的三维光片上网络架构的新型九端口无阻塞光路由器，简称为九端口光路由器，其特征在于，包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口分别用于连接当前九端口光路由器的南侧，北侧，西侧，东侧的九端口光路由器；其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5分别用于通过光/电接口、电/光接口和TSV连接五个中间层中的电路由器，由于网络使用OXY路由算法，该光路由器中不存在南/北向端口至东/西向端口间的光通路。4.根据权利要求3所述的新型九端口无阻塞光路由器，其特征在于，使用了两层光平面，60个微环谐振器，10根光波导，：201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，分别连接端口东、西、南、北、z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5以及两个波导终端101和102，微环谐振器包括40个层间微环谐振器01-40，和20个层内微环谐振器51-70，用于实现光信号的转向，光波导作为载体完成光信号的传输，九端口光路由器中的10根光波导分布于上下两个光平面，4根波导：201，202，203，204位于上平面中，其余6根波导：205，206，207，208，209，210位于下平面中，上下平面的波导之间分别通过位于点301-340处的层间微环谐振器进行光耦合，不会引入波导交叉损耗；而同一平面内的波导之间分别通过位于点351-370处的层内微环谐振器进行光耦合。九端口光路由器包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口位于上平面；其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5位于下平面；在九端口光路由器中，所有的微环谐振器完全相同，均为窄带微环谐振器，具有相等且唯一的谐振波长。5.一种基于层错的3D光片上网络的通信方法，其特征在于，包括两种通信类型：1.层间通信，2.层内通信，其中，层内通信包括1.1节点内通信和1.2节点间通信；层间通信则分为2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信，以及2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，在均匀流量模型下，使用2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信和2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，两种通信方式的流量比例为5:19。6.根据权利要求5所述的基于层错机制的3D光片上网络的通信方法，其特征在于，节点内通信包括有如下步骤：1.1.a源节点IP核生成电信息分组，记录目的节点IP核坐标信息(xdest,ydest,zdest,mdest)，以及源节点IP核坐标信息(xsour,ysour,zsour,msour)并写入电信息分组，其中，xdest＝xsour，ydest＝ysour，zdest＝zsour，mdest≠msour；1.1.b源节点IP核发送电信息分组至与源节点IP核直接相连的电路由器(xsour,ysour,zsour,0)，存入输入端口的缓存队列，并根据目的节点坐标确定输出端口；1.1.c检测前述电路由器输出端口是否空闲，若空闲则直接发送电信息分组至目的节点IP核，否则等待至输出端口空闲后再发送。7.根据权利要求5所述的基于层错机制的3D光片上网络的通信方法，其特征在于，层内节点间通信的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭雅楠，顾华玺，杨银堂，朱樟明，谭伟，黄蕾，
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