本发明专利技术涉及一种分布式光交换互连集成芯片及互连系统，适用于片上高性能计算系统、数据中心光交换互连和光通信网络技术领域。本发明专利技术的技术方案为：该集成芯片具有多个直接或间接相连的节点，每个节点包括：光交换路由连接单元，其一侧具有多个内部输入/输出端口，另一侧具有多个外部输入/输出端口；激光器阵列，与光交换路由连接单元的内部输入端口相连，用于将电信号转化为光信号并发送给光交换路由连接单元；探测器阵列，与光交换路由连接单元的内部输出端口相连，用于将光交换路由连接单元输出的光信号转化为电信号；光交换路由连接单元的外部输入/输出端口为其所在节点的输入/输出端口，节点的输出端口通过光波导连接另一节点的输入端口。节点的输入端口。节点的输入端口。
【技术实现步骤摘要】
分布式光交换互连集成芯片及互连系统
[0001]本专利技术涉及一种分布式光交换互连集成芯片及互连系统，适用于片上高性能计算系统、数据中心光交换互连和光通信网络
技术介绍
[0002]随着云计算、数据中心、物联网、虚拟现实、高清短视频等应用的飞速增长，全球数据量呈爆炸式增长，需要不断扩大高性能计算和数据中心的基础设施，其中大容量高速交换芯片是其中的一个核心技术。
[0003]目前，数据中心和高性能计算中服务器之间的数据传输已大规模采用光互连技术，服务器之间光互连及片上光互连的研究主要集中在光互连网络中的光信息收发和传输，而网络交换还是基于电交换芯片，一方面需要高能耗、大时延的光电光转换，需要通过Co
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Packaged Optics(CPO)将电交换芯片与外部光收发阵列芯片进行光电融合封装集成，另一方面需要顶级半导体工艺制造。
[0004]目前顶级电交换芯片的交换容量为25.6～51.2Tbps，需要采用5～7nm的顶级半导体工艺。随着摩尔定律逼近极限，电交换芯片容量的进一步提升受到了极大的制约。光交换技术成为后摩尔时代数据中心和高性能计算系统继续提升性能的一种手段。
[0005]另外，为了处理海量数据，人工智能等数据处理模型和算法不断升级换代，对计算系统算力的要求也越来越高。由于摩尔定律的限制，无法在单芯片上集成越来越多晶体管来维系算力的持续提高。基于晶圆级先进封装技术，集成多个独立制造的模块化功能芯粒(Chiplet)的晶圆级片上系统是延续摩尔定律的重要手段。在此情况下，高性能计算系统性能提高的瓶颈，不在于单个计算节点性能的限制，而是在于多个计算节点间信息的传输和交换容量，因而芯粒之间的大容量片上交换互连将成为构建更强大的计算系统的关键。
技术实现思路
[0006]本专利技术要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种分布式光交换互连集成芯片及基于该光交换互连集成芯片的通信或计算节点间的互连系统。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：一种分布式光交换互连集成芯片，其特征在于，具有多个直接或间接相连的节点，每个节点包括：
[0008]光交换路由连接单元，其一侧具有多个内部输入/输出端口，另一侧具有多个外部输入/输出端口；
[0009]激光器阵列，与所述光交换路由连接单元的内部输入端口相连，用于将电信号转化为光信号并发送给光交换路由连接单元；
[0010]探测器阵列，与所述光交换路由连接单元的内部输出端口相连，用于将光交换路由连接单元输出的光信号转化为电信号；
[0011]所述光交换路由连接单元的外部输入/输出端口为其所在节点的输入/输出端口，节点的输出端口通过光波导连接另一节点的输入端口。
[0012]每个节点具有2个所述光交换路由连接单元，分别为激光器侧路由连接单元和探测器侧路由连接单元，所述光交换路由连接单元的任意一对内部端口和外部端口之间仅在某一个特定波长处有最小的损耗；
[0013]其中激光器侧路由连接单元的两侧分别为内部输入端口和外部输出端口；所述探测器侧路由连接单元的两侧分别为内部输出端口和外部输入端口。
[0014]所述光交换路由连接单元采用循环寻址阵列波导光栅路由器或蚀刻衍射光栅路由器。
[0015]所述激光器阵列的每个单元包含一个波长可切换/可调激光器，并集成了一个腔外高速调制器。
[0016]所述激光器阵列，包括：
[0017]腔内波长路由器，其任意一对输入输出端口组合仅在某一个特定波长处有最小的损耗；
[0018]端口选择半导体光放大器阵列，其一端制为反射面，另一端连接所述腔内波长路由器的输入端；
[0019]波长选择半导体光放大器阵列，其一端连接所述腔内波长路由器的输出端，另一端设置部分反射器；
[0020]任一端口选择半导体光放大器的反射面和任一波长选择半导体光放大器的部分反射器之间形成光学谐振腔；
[0021]通过对腔内波长路由器任意一对输入输出端口组合对应的端口选择半导体光放大器和波长选择半导体光放大器施加电流，从而在相应光学谐振腔的部分反射器端输出与该输入输出端口组合对应的特定波长的激光。
[0022]所述激光器阵列能根据输入的电信号向所述光交换路由连接单元一侧的内部输入端口发送指定波长的光信号，该内部输入端口和指定波长与另一侧对应输出目标的外部输出端口输出适配，以使光信号从该对应输出目标的端口输出；
[0023]所述光交换路由连接单元一侧的外部输入端口接收外部输入的任意波长的光信号，该光信号从光交换路由连接单元另一侧与该外部输入端口和任意波长适配的内部输出端输出至探测器阵列，探测器阵列将光信号转化为电信号。
[0024]所述光波导采用平面光波导或光纤，用于片内节点连接或片间节点连接。
[0025]该网络单元上的所有节点呈环形分布，节点之间经沿环形布置的光波导相连。
[0026]所述激光器阵列电连接激光器驱动，所述探测器阵列电连接探测器驱动，激光器驱动和探测器驱动共同电连接电分组交换芯片。
[0027]一种分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：具有若干所述的分布式光交换互连集成芯片作为片上互连网络单元构成多单元扩展集成芯片，每个所述互连网络单元的节点中包含至少一个跨单元节点，该跨单元节点经光波导与其余互连网络单元上的跨单元节点直接或间接相连。
[0028]若干分布式光交换互连网络单元呈环形分布，分布式光交换互连网络单元中靠内侧节点为跨单元节点Ⅰ，靠外侧节点为跨单元节点Ⅱ，各互连网络单元的跨单元节点Ⅰ之间经沿环形布置的光波导相连；各互连网络单元的跨单元节点Ⅱ之间经沿环形布置的光波导相连。
[0029]若干相同的分布式光交换互连网络单元呈环形分布，分布式光交换互连网络单元中每个节点为跨单元节点，各互连网络单元中相同位置的跨单元节点之间经沿环形布置的光波导相连，构成多个全连接网络，并通过多层波导和层间耦合结构避免多个全连接网络之间的波导交叉。
[0030]所述芯片的高速数据输入/输出电端口、片上交换网络控制端口、偏置电流/电压端口等优选采用BGA封装，每个片上节点对应的外部电接口与外部计算、存储和I/O等电芯片或芯粒群的电输入/输出端口通过晶圆级先进封装技术连接，构成片上多芯粒光交换互连计算系统。
[0031]所述分布式光交换互连集成芯片包含光纤输入/输出端口，与片内部分激光器和探测器通过光耦合结构连接，用于片间光交换互连扩展。
[0032]一种分布式光交换互连系统，其特征在于：其内包含所述的分布式光交换互连集成芯片，外围电计算或通信芯片或芯粒群，所述电芯片的输入输出端口分别与所述分布式光交换互连集成芯片的输出输入端口通过晶圆级先进封装提供电互连。
[0033]所述分布式光交换网络节点的调制器和探测器通过高速输入/输出电端口与发射/接收驱动芯片连接，再连接到电分组交换芯片，所述电分组交换芯片包含在片上计算系统中计算芯片的收发控制器内。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种分布式光交换互连集成芯片，其特征在于，具有多个直接或间接相连的节点，每个节点包括：光交换路由连接单元，其一侧具有多个内部输入/输出端口，另一侧具有多个外部输入/输出端口；激光器阵列，与所述光交换路由连接单元的内部输入端口相连，用于将电信号转化为光信号并发送给光交换路由连接单元；探测器阵列，与所述光交换路由连接单元的内部输出端口相连，用于将光交换路由连接单元输出的光信号转化为电信号；所述光交换路由连接单元的外部输入/输出端口为其所在节点的输入/输出端口，节点的输出端口通过光波导连接另一节点的输入端口。2.根据权利要求1所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：每个节点具有2个所述光交换路由连接单元，分别为激光器侧路由连接单元和探测器侧路由连接单元，所述光交换路由连接单元的任意一对内部端口和外部端口之间仅在某一个特定波长处有最小的损耗；其中激光器侧路由连接单元的两侧分别为内部输入端口和外部输出端口；所述探测器侧路由连接单元的两侧分别为内部输出端口和外部输入端口。3.根据权利要求1或2所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：所述光交换路由连接单元采用循环寻址阵列波导光栅路由器或蚀刻衍射光栅路由器。4.根据权利要求1或2所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：所述激光器阵列的每个单元包含一个波长可切换/可调激光器，并集成了一个腔外高速调制器。5.根据权利要求1或2所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于，所述激光器阵列，包括：腔内波长路由器，其任意一对输入输出端口组合仅在某一个特定波长处有最小的损耗；端口选择半导体光放大器阵列，其一端制为反射面，另一端连接所述腔内波长路由器的输入端；波长选择半导体光放大器阵列，其一端连接所述腔内波长路由器的输出端，另一端设置部分反射器；任一端口选择半导体光放大器的反射面和任一波长选择半导体光放大器的部分反射器之间形成光学谐振腔；通过对腔内波长路由器任意一对输入输出端口组合对应的端口选择半导体光放大器和波长选择半导体光放大器施加电流，从而在相应光学谐振腔的部分反射器端输出与该输入输出端口组合对应的特定波长的激光。6.根据权利要求1或2所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：所述激光器阵列能根据输入的电信号向所述光交换路由连接单元一侧的内部输入端口发送指定波长的光信号，该内部输入端口和指定波长与另一侧对应输出目标的外部输出端口输出适配，以使光信号从该对应输出目标的端口输出；所述光交换路由连接单元一侧的外部输入端口接收外部输入的任意波长的光信号，该光信号从光交换路由连接单元另一侧与该外部输入端口和任意波长适配的内部输出端输
出至探测器阵列，探测器阵列将光信号转化为电信号。7.根据权利要求1或2所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：所述光波导采用平面光波导或光纤，用于片内节点连接或片间节点连接。8.根据权利要求1或2所述的分布式光交换互连集成芯片，其特征在于：该网络单元上的所有节点呈环形分布，节...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵佳生，何建军，
申请(专利权)人：杭州兰特普光电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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