基于光互连的并行访问存储系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光互连的并行访问存储系统，主要解决现有电总线存储系统访问带宽低，访问延时大，面积开销大，板级电路数据速率低的问题。其包括光传输层(101)和存储层(103)，光传输层上设有光发射器，光接收器，U形波导，宽带微环，光接收器和光发射器位于光传输层中部位置，分两排排列，U形波导环绕参考位置排列放置；存储层的每层均放置有存储单元(104)，存储单元呈现网格分布排列，同一rank中的存储单元垂直分布于不同存储层上。本发明提高了存储系统的并行访问性能，增加了数据访问带宽和数据速率，降低了访问时延，减少了存储系统在电路板上的面积开销，可用于处理器核与存储系统之间光通信。
【专利说明】基于光互连的并行访问存储系统
【技术领域】
[0001]本发明属于通信【技术领域】，特别涉及光互连的存储系统，可用于处理器核与存储系统之间光指令，光数据通信。
技术背景
[0002]存储系统，用于计算机中处理器核所使用数据的存储。存储系统包括存储控制器与存储单元。工作于锁步模式的一组存储单元的集合称为rank。存储控制器与rank之间通过电总线的方式进行连接，包括片选总线，地址指令总线和数据总线。存储单元包括地址寄存器，指令控制器，行地址解码器，列地址解码器，数据锁存与驱动器和存储阵列。存储控制器，存储单元放置于电路板的同一层上，存储控制器与存储单元之间，同一 rank中的存储单元之间通过板级电路相连接。
[0003]当处理器核需要向存储系统中一个rank写入数据时，存储控制器首先通过片选总线选定该rank，然后通过地址总线将数据地址发送到存储单元，存储单元中的指令控制器、行地址解码器和列地址解码器确定存储阵列中的位置，最后存储控制器通过数据总线将数据发送到存储单元，经由数据锁存与驱动器，完成将数据写入到存储阵列中。
[0004]当处理器核需要从存储系统中一个rank读取数据时，存储控制器首先通过片选总线选定该rank，然后通过地址总线将数据地址发送到存储单元，存储单元中的指令控制器、行地址解码器和列地址解码器确定数据在存储阵列中的位置，最后存储单元将数据通过数据锁存与驱动器发送到数据总线，完成数据的读取操作。
[0005]现有的存储系统结构具有以下不足。首先，在连接方面，存储控制器通过片选总线，地址指令总线和数据总线连接各个rank，由于存储控制器在同一时刻仅能通过片选方式与一个rank通信，当处理器核数目不断增加，同一时间访问存储系统的读写请求随之增力口，基于电总线结构的存储系统会出现通信带宽难以提高的问题。其次，扩展存储系统时，需要增加连接到电总线上的rank的数目，电总线连接方式还会使访问存储系统的延时不断增大，存储容量提升没有提高存储系统的性能。第三，存储单元放置于电路板的同一层上，各个存储单元通过板级电路相连接，板级连接线会占用大量电路板面积，同时电路板上长连线会造成信号失真与功耗增加，板级连线上的数据速率受电信号频率限制无法突破性增加。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有电总线存储系统的不足，提出一种基于光互连的并行访问存储系统，以解决现有电总线存储系统访问带宽低，扩展存储系统时访问延时大，面积开销大，板级电路数据速率低的问题。
[0007]为实现上述目的，本发明的并行访问存储系统利用3D堆叠设计技术和片上光互连技术进行设计，其特征在于，采用三维分层结构，它包括光传输层和存储层，光传输层位于顶层，顶层以下其余层为存储层；[0008]所述光传输层,用于完成存储层与系统外部的处理器核之间的光通信,该光传输层上设有N个光发射器，N个光接收器，N条U形波导，N2个宽带发射微环，N2个宽带接收微环，这些光接收器和光发射器位于光传输层的中部位置，且分两排排列，每一排中的光接收器与光发射器交替放置，N条U形波导环绕光发射器与光接收器由中心向四周排列放置；
[0009]所述存储层，放置有存储单元，工作于锁步模式的一组存储单元的集合称为rank，同一 rank中的存储单元垂直分布于不同存储层上，所有存储层上共有N个rank，在存储层的每层上，N个存储单元均匀放置，呈现网格分布排列，其中N等于2n，n为非负整数，O <<n<< 1g2M, M取正整数，M为一根波导上可以传输的最大波长数。
[0010]作为优选，每个光发射器由一个发射控制器，M个窄带发射微环和一段90°弯折发射波导构成；该发射控制器用于为存储层发送来的电数据信息和电确认信息进行波长分配，该M个窄带发射微环用于将电信息转换为M个特定波长的光信息，该90°弯折发射波导用于将光发射器窄带发射微环发送的光信息传输至U形波导上的宽带发射微环，其一条边上横排放置M个窄带发射微环，另一条边与N条U形波导垂直相交；第i个rank光发射器的90°弯折发射波导与第k条U形波导的交叉点为tik，第1，2，…，N个rank光发射器90°弯折发射波导与U形波导交叉点构成发射交叉点矩阵TNXN，l<<i，k<<N，i，k为正整数。
[0011]作为优选，每个光接收器由一个接收控制器，M个窄带接收微环和一段90°弯折接收波导构成；该接收控制器用于控制读写请求信息有序访问存储层，该M个窄带接收微环用于将M个波长的光信息转化为电信息，该90°弯折接收波导的一条边上横排放置M个窄带接收微环，另一条边与N条U形波导垂直相交，用于将光波导上的读写访问信息从宽带接收微环传输至光接收器的窄带接收微环；第i个rank光接收器的弯折波导与第k条U形波导的交叉点为rik，第1，2，…，N个rank中90°弯折接收波导与U形波导交叉点构成接收交叉点矩阵Rnxn，I << i，k << N，i，k为正整数。
[0012]作为优选，N2个宽带发射微环放置于U形波导与光发射器交叉点右上方，N2个宽带接收微环放置于U形波导与光接收器弯折波导交叉点左上方；该N2个宽带发射微环和N2个宽带接收微环可按照谐振波长组的不同分为N种，第j种记为MRp MRj的谐振波长组为
Aj，该谐振波长组\包含
【权利要求】
1.一种基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，采用三维分层结构，它包括光传输层和存储层，光传输层位于顶层，顶层以下其余层为存储层； 所述光传输层，用于完成存储层与系统外部的处理器核之间的光通信，该光传输层上设有N个光发射器，N个光接收器，N条U形波导，N2个宽带发射微环，N2个宽带接收微环，这些光接收器和光发射器位于光传输层的中部位置，且分两排排列，每一排中的光接收器与光发射器交替放置，N条U形波导环绕光发射器与光接收器由中心向四周排列放置； 所述存储层，放置有存储单元，工作于锁步模式的一组存储单元的集合称为rank，同一rank中的存储单元垂直分布于不同存储层上，所有存储层上共有N个rank，在存储层的每层上，N个存储单元均匀放置，呈现网格分布排列，其中N等于2η，η为非负整数，O < < η<< 1g2M, M取正整数，M为一根波导上可以传输的最大波长数。
2.根据权利要求1所述的基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，每个光发射器由一个发射控制器，M个窄带发射微环和一段90°弯折发射波导构成；该发射控制器用于为存储层发送来的电数据信息和电确认信息进行波长分配，该M个窄带发射微环用于将电信息转换为M个特定波长的光信息，该90°弯折发射波导用于将光发射器窄带微环发送的光信息传输至U形波导上的宽带发射微环，其一条边上横排放置M个窄带发射微环，另一条边与N条U形波导垂直相交;第i个rank光发射器的90°弯折发射波导与第k条U形波导的交叉点为tik，第1，2，…，N个rank光发射器90°弯折发射波导与U形波导交叉点构成发射交叉点矩阵TNXN，I << i，k << N，i，k为正整数。
3.根据权利要 求2所述的基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，光发射器用于一个rank向系统外部的处理器核发送光信息，它通过一条TSV发射簇连接存储层一个rank中的存储单兀,该TSV发射簇为光传输层与存储层之间的一组娃穿孔,用于实现光传输层与存储层的电连接。
4.根据权利要求1所述的基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，每个光接收器由一个接收控制器，M个窄带接收微环和一段90°弯折接收波导构成；该接收控制器用于控制读写请求信息有序访问存储层，该M个窄带接收微环用于将M个波长的光信息转化为电信息，该90°弯折接收波导的一条边上横排放置M个窄带接收微环，另一条边与N条U形波导垂直相交，用于将光波导上的读写访问信息从宽带接收微环传输至光接收器的窄带接收微环；第i个rank光接收器的90°弯折接收波导与第k条U形波导的交叉点为rik，第1，2，…，N个rank中90°弯折接收波导与U形波导交叉点构成接收交叉点矩阵RNXN，I<< i，k << N，i，k 为正整数。
5.根据权利要求4所述的基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，光接收器用于接收系统外部的处理器核向一个rank发送来的光信息，它通过一条TSV接收簇连接存储层一个rank中的存储单元，该TSV接收簇为光传输层与存储层之间的一组硅穿孔，用于实现光传输层与存储层的电连接。
6.根据权利要求1所述的基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，N2个宽带发射微环放置于U形波导与光发射器交叉点右上方，N2个宽带接收微环放置于U形波导与光接收器弯折波导交叉点左上方；N2个宽带发射微环与N2个宽带接收微环按照谐振波长组的不同分为N种，第j种记为MRj,MRj的谐振波长组为Λ j,该谐振波长组Λ j包含
7.根据权利要求1所述的基于光互连的并行访问存储系统，其特征在于，存储单元包括: 电发射器，用于连接存储单元中数据驱动与控制模块，并通过一条TSV发射簇向光传输层中光发射器发送电信号； 电接收器，用于连接存储单元中读写请求控制模块，并通过一条TSV接收簇从光传输层中光接收器接收电信号； 读写请求控制模块，其分别与电接收器、读写指令控制模块、数据锁存与驱动模块相连，用于将读请求翻译为读指令，将写请求翻译为写指令和将写入数据送入数据锁存与驱动模块； 读写指令控制模块，其分别与读写请求控制模块、行地址解码模块、列地址解码模块、数据锁存与驱动模块相连，用于实现对存储阵列中数据的有序访问和确认数据锁存与驱动模块中的数据有效； 行地址解码模块，其分别与读写指令控制模块和存储阵列相连，用于从读写指令中提取行地址信息； 列地址解码模块，其分别与读写指令控制模块和存储阵列相连，用于从读写指令中提取列地址信息； 数据锁存与驱动模块，其分别与电发射器、读写请求控制模块、读写指令控制模块、存储阵列相连，用于锁存写入或读取的数据，并驱动数据传输； 存储阵列，其分别与行地址解码模块、列地址解码模块、数据锁存与驱动模块相连，用于存储需要读写的数据。
【文档编号】G06F13/14GK104035894SQ201410269550
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】顾华玺, 王康, 杨银堂, 陈可, 王小鹭 申请人:西安电子科技大学