【摘要】：憑借低時(shí)延、高帶寬以及低能耗的通信優(yōu)勢(shì),光互連被寄予希望替代傳統(tǒng)電互連,成為片上通信系統(tǒng)最具前景的互連技術(shù)。光片上網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)得到普遍關(guān)注。但現(xiàn)有光片上網(wǎng)絡(luò)阻塞問題嚴(yán)重,網(wǎng)絡(luò)性能提升受限;同時(shí),大規(guī)模光片上網(wǎng)絡(luò)的能耗利用率較低,擴(kuò)展能力不足。為解決上述問題,本文旨在提高網(wǎng)絡(luò)性能及擴(kuò)展能力,從不同角度出發(fā)設(shè)計(jì)光片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。首先,為解決傳統(tǒng)的基于電路交換的光片上網(wǎng)絡(luò)存在的資源預(yù)約開銷大、擴(kuò)展性差以及阻塞嚴(yán)重等問題。本文將波長(zhǎng)資源功能分化,同時(shí)用于提高傳輸帶寬和降低阻塞概率,提出一種新型基于電路交換的光片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——MRONoC。它首先憑借高效的波長(zhǎng)分配方案解決阻塞問題,然后在垂直方向引入多根并行波導(dǎo)緩解波長(zhǎng)資源受限的壓力以改善自身擴(kuò)展性。MRONoC可支持單播與多播通信,在分組長(zhǎng)度適度的情況下能耗利用率占優(yōu),網(wǎng)絡(luò)性能較好,與傳統(tǒng)的基于Mesh的光片上網(wǎng)絡(luò)相比,飽和吞吐量可提升133%。其次,現(xiàn)有無源光片上網(wǎng)絡(luò)存在擴(kuò)展能力不足和插入損耗較大等問題。本文面向大規(guī)模無源光片上網(wǎng)絡(luò),充分考慮其對(duì)擴(kuò)展性能、面積與能耗開銷以及傳輸可靠性的要求,設(shè)計(jì)無源光片上網(wǎng)絡(luò)——POINT。鑒于波長(zhǎng)資源使用受限,POINT對(duì)波長(zhǎng)與波導(dǎo)資源的使用數(shù)量進(jìn)行組合優(yōu)化。其采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,僅利用多波導(dǎo)提供所需的通信信道構(gòu)建基礎(chǔ)交換模塊,并以此作為互連單元進(jìn)行規(guī)則互連,進(jìn)而對(duì)各模塊分配工作波長(zhǎng),消除模塊間的通信競(jìng)爭(zhēng)。仿真結(jié)果表明,POINT較傳統(tǒng)的無源光片上網(wǎng)絡(luò)可減少約39%的面積開銷和約44%的插入損耗。最后,為適應(yīng)多核處理器“瓦片”狀的分布方式,本文探索并設(shè)計(jì)基于規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Torus的無源光片上網(wǎng)絡(luò)——TAONoC。為克服波長(zhǎng)不同的光信號(hào)在同一節(jié)點(diǎn)處同時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)難以實(shí)現(xiàn)的困難,TAONoC利用寬帶微環(huán)諧振器的多波長(zhǎng)并行傳輸優(yōu)勢(shì),并以“波長(zhǎng)組”為單位為網(wǎng)絡(luò)中所有轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)循環(huán)分配“轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)組”;為保證自身支持多播通信,且無目的節(jié)點(diǎn)阻塞,TAONoC對(duì)各水平、垂直波導(dǎo)上的各波長(zhǎng)的調(diào)制器、解調(diào)器制定布局策略。統(tǒng)計(jì)分析顯示TAONoC通過增加適量波導(dǎo)可減少約79%的微環(huán)使用數(shù)量,并降低約37%的插入損耗。
[Abstract]:With the advantages of low delay, high bandwidth and low energy consumption, optical interconnection is expected to replace traditional electrical interconnection and become the most promising interconnection technology for on-chip communication systems. The design of optical-on-chip networks has received widespread attention. However, the existing optical on-chip network congestion problem is serious, the network performance is limited; at the same time, the large-scale optical on-chip network energy consumption utilization is low, the expansion capacity is insufficient. In order to solve the above problems, this paper aims to improve the network performance and expansion ability, and design the optical on-chip network structure from different angles. Firstly, in order to solve the problems of high resource reservation overhead, poor expansibility and serious blocking in traditional on-chip networks based on circuit switching, etc. In this paper, the wavelength resource is divided into two parts, which is used to improve the transmission bandwidth and reduce the blocking probability. A novel on-chip network structure based on circuit switching, MRO Noc, is proposed. It first solves the blocking problem with efficient wavelength assignment scheme, then introduces multiple parallel waveguides in vertical direction to relieve the pressure of wavelength resource limitation to improve its expansibility. MRONoC can support unicast and multicast communication. In the case of moderate packet length, the energy efficiency is dominant and the network performance is good. Compared with the traditional optical on-chip network based on Mesh, the saturated throughput can be increased by 1333%. Secondly, the existing passive optical network has some problems, such as insufficient expansion capacity and large insertion loss. In this paper, a passive optical on-chip network (POINT) is designed for large scale passive optical on-chip networks, considering the requirements of expansion performance, area and energy consumption overhead and transmission reliability. In view of the limited use of wavelength resources, POINT optimizes the combination of wavelength and waveguide resources. It adopts the modular design idea, only uses the multi-waveguide to provide the necessary communication channel to construct the basic switching module, and takes this as the interconnection unit to carry on the regular interconnection, then distributes the working wavelength to each module, eliminates the communication competition between the modules. The simulation results show that POINT can reduce the area overhead by about 39% and the insertion loss by about 44% compared with the traditional passive optical network. Finally, in order to adapt to the "tile" distribution of multi-core processors, this paper explores and designs a passive optical on-chip network based on regular topology structure (Torus)-TAONoC. In order to overcome the difficulty of simultaneous deflection of optical signals with different wavelengths at the same node, TAONoC utilizes the advantages of multi-wavelength parallel transmission of wideband microring resonators. The "wavelength group" is used as the unit to assign the "steering wavelength group" to all the steering nodes in the network, and in order to ensure its own support for multicast communication, and the aimless nodes block the modulators of various wavelengths on the horizontal and vertical waveguides, The demodulator formulates the layout strategy. Statistical analysis shows that TAONoC can reduce the number of microrings by 79% and the insertion loss by about 37% by increasing the appropriate number of waveguides.
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN929.1

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本文編號(hào)：2177287