计算机系统设备中的全光学快速分布式仲裁技术方案

本发明专利技术的各个实施例涉及用于计算机系统设备中的经由光子互连而通信耦合的计算机系统部件（１８０１－１８０４）的全光学分布式仲裁的系统和方法。计算机系统中的光学仲裁的实施例提供带有固定优先级（２０００）以及不固定优先级（１８３０，２２００）的仲裁方案。不固定优先级方案实施例可以提供仲裁的公平性。在一些实施例中，仲裁和光功率传送被组合（１８３０，２００１）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例涉及计算机系统设备中的资源仲裁，并且更特别地涉及在提供计 算机系统设备中的计算机系统部件之间的通信的光子互连中的光学信道仲裁。
技术介绍
在二十世纪六十年代中期，半导体制造商观察到，在集成电路上制作的电路(诸 如晶体管)的密度大约每18个月翻一番。这种趋势已延续并且现在被称作“摩尔定律”。 晶体管密度被看作是计算机处理能力的粗糙度量，所述计算机处理能力又对应于数据处理 速度。尽管最初摩尔定律是作为观察结果而得出的，但是随着时间的推移摩尔定律已被半 导体工业广泛地接受作为提高计算机处理能力背后的基本驱动力。结果，半导体制造商已 研发了用于将芯片部件的大小减小到微尺度乃至纳米尺度尺寸的技术。计算机系统(其一 些示例是存储器模块系统、单核处理器设备或多核处理器设备)的计算机系统架构在试图 跟上摩尔定律的同时正面临限制。多核系统示例说明所面临的一些问题。近年来，半导体工业已研发了包括两个或 更多被称为“核”的子处理器的处理器。例如，双核处理器包含两个核，而四核处理器包含 四个核。典型地，这些核被集成，共享到系统的其余部分的相同互连，并且可以独立地操作。 尽管半导体制造商可以提高单个核的晶体管密度，但是半导体制造商由于功耗效率低而未 朝这个方向前进。替代方案是提高单个管芯上封装的核的数量。管芯是其上制作集成电路 (“芯片”)的单层半导体材料。然而，芯片上和芯片外通信已成为针对需要这些多核芯片 的、苛刻的数据密集型应用保持性能增长的关键问题。计算带宽随核数量的增长而线性地 缩放，但是可以使用顶级金属线横跨多核芯片传送数据的速率正以慢得多的速度在提高。 另外，数据可以通过沿着芯片边缘定位的管脚而传送到芯片外的速率也比计算带宽更慢地 增长，并且芯片上和芯片外通信的能量成本明显限制可获得的带宽。结果，计算机架构现在 处于十字路口并且物理学家和工程师正在寻找对使用金属线进行芯片上和芯片外通信的 替代方案。计算机系统部件(诸如芯片上的核)通过共同互连而彼此通信并且共享资源。一 种避免冲突或碰撞的机制是通过使用仲裁机制，这些部件可以通过该仲裁机制确定在任何 给定的时间哪个获得对资源的访问。对共享资源的仲裁对于许多系统的性能是关键的，然而在许多请求器间对资源的 高效仲裁相对于处理器时钟周期而言往往是很慢的。而且，在高处理器时钟频率下，给定适 度复杂的电实施方式，仲裁可能消耗大量的功率。控制N输入N输出交叉开关(crossbar)以把唯一发送器分配给每个输出端口是 计算机联网中的标准问题。通常的硬件解决方案被设计用于带有虚拟输出队列(VOQ)的系 统，其中每个发送器具有每接收器一个V0Q。可能的最佳解决方案可以通过脱机顺序算法 在0(N2. 5)时间内被计算出来，即通过Hopcroft-Karp算法针对二分图中的最大匹配进行 计算，但这对于用作交叉开关仲裁方案而言将太慢。相反，对于电子控制的网络交换结构，3使用联机、并行迭代方案。在多回合迭代过程的每个回合中，发送器请求向接收器发送的权 利，仲裁器响应于这些请求中的一些而发送回准予，并且一些准予然后被接受。最大匹配在 0(log2(N))回合中被实现。所需的时间典型地以数十微秒来测量。期望的仲裁方案可以以与它正在其中操作的系统相称的速度执行它的任务以避 免成为瓶颈并且是低功率的。低复杂度也是仲裁系统的期望特征。
技术实现思路
本专利技术的各个实施例涉及用于计算机系统设备中的经由光子互连而通信耦合的 计算机系统部件的全光学分布式仲裁的系统和方法。计算机系统中的光学仲裁的实施例提 供带有固定优先级和不固定优先级的仲裁方案。不固定优先级方案实施例可以提供仲裁的 公平性。在一些实施例中，组合仲裁和光功率的传送。附图说明图1示出依据本专利技术实施例的层叠计算设备的横截面图。图2示出依据本专利技术实施例的计算设备的部件的示意表示。图3示出依据本专利技术实施例的图1所示的计算设备的四个管芯层的分解等距视 图。图4A示出依据本专利技术实施例的处理器管芯集群(cluster)。图4B示出依据本专利技术实施例的存储器管芯的块片(tile)。图5示出依据本专利技术实施例的图4A-4B所示的块片和集群的部件之间的相互作用 的示意表示。图6示出依据本专利技术实施例的图1所示的计算设备的四个管芯层的放大分解等距 视图。图7A示出依据本专利技术实施例的光学管芯的示意表示。图7B示出依据本专利技术实施例的图7A所示的光学管芯的区的放大图。图7C示出依据本专利技术实施例的图7B所示的沿着线7C-7C的芯片上脊波导的一部 分的横截面图。图7D示出依据本专利技术实施例的两个近似平行的光子晶体波导的一部分的顶视 图。图8示出依据本专利技术实施例的电磁辐射源的示意表示。图9A-9B示出依据本专利技术实施例的两个光电子转换器的示意表示。图10示出依据本专利技术实施例的光电子转换器的转换器块的部件的示意表示。图11示出依据本专利技术实施例的光电子转换器的数据/控制块的示意表示。图12示出依据本专利技术实施例的三个数据/控制块的示意表示。图13示出依据本专利技术实施例的放大的成束波导调制器/检测器的示意表示。图14示出依据本专利技术实施例的芯片外通信集线器(hub)。图15示出依据本专利技术实施例的广播。图16A示出依据本专利技术实施例的用于在未编码信道中编码数据的波导微环系统。图16B示出依据本专利技术实施例的用于从波导中提取编码信道的波导微环系统。图17示出依据本专利技术实施例的微环的示意表示。图18A示出依据本专利技术实施例的示例性四集群、层叠计算设备的示意表示。图18B示出依据本专利技术实施例的图18A所示的仲裁系统的示意表示。图19示出依据本专利技术实施例的仲裁系统。图20A说明依据本专利技术另一个实施例的其中优先级方案是固定(不公平)的全光 学仲裁系统的示意图。图20B说明仲裁系统实施例的另一个版本，其中到光子互连的另一个功能部分 (诸如数据传输)的光功率传送与仲裁耦合或组合。图21是可以采用这样的仲裁方案的仲裁系统的示意图，在所述仲裁方案中多个 计算机系统部件可以被准予对多个接收部件的访问而不用提高所使用的波导数量。图22示出依据本专利技术实施例的另一个仲裁系统的示意图。具体实施例方式本专利技术的各个实施例涉及在提供计算机系统部件之间的通信的光子互连的背景 下的全光学仲裁系统和方法。这些光子互连比其电对等物更快，因此仲裁系统不应成为瓶 颈。期望全光学仲裁系统，以便可以与通信的速度相称地执行仲裁。为了说明性目的，描述 计算机系统设备实施例以提供用于说明本专利技术的仲裁系统的各个方面的背景。然而，依据 本专利技术的全光学仲裁系统不限于如所描述的光子互连的实施例的具体细节。光子互连这些光子互连提供计算机系统部件(例如，核、集群、存储器控制器)之间的芯片 上光子互连。另外，光子互连的一些实施例也提供到外部设备上的计算机系统部件的芯片 外光子互连。本专利技术的实施例也包括具有纳米光子部件的光子互连，所述纳米光子部件包 括具有典型地小于波长或小于微米的尺寸的部件。这些光子互连提供比沿着芯片边缘定位的常规管脚更快的、可以把数据传送到芯 片外的速率，提供更大的计算带宽，提供比常规金属线更低的芯片上和芯片外通信的能量 成本，并且可以被扩大或缩小以适应附加部件，例如具有任何数量的核的处理器。光子互连 的架构可以用非阻挡、低等待时间、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与提供计算机系统中的通信的光子互连一起使用的光学仲裁系统（１８３０、２００１），包括：第一波导（１８３２，２００８）；光源（１８３４，２００６），用于通过所述第一波导（１８３２，２００１）发送光；与所述第一波导耦合的第一光转移器（１８３７，１８３８，１８３９，１８４０，２０１０，２０１２，２０１４），用于转移光；与所述第一光转移器耦合的第一检测器（１８４１，１８４２，１８４３，１８４４，２０１８，２０２２，２０２６），用于检测光；第一调制器（１８４１，１８４２，１８４３，１８４４，０ｂ，１ｂ，２ｂ），用于响应于所述第一检测器检测到光而调制光以承载数据；以及耦合到所述第一调制器的数据波导（１８１４，１８１５，１８１６，１８１７，２０３０），用于承载所调制光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RG博索莱尔，M菲奥伦蒂诺，NP茹皮，NL宾克特，RS施雷伯，Q徐，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]