专利名称：基于总线的可缩放光学结构的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及计算机系统，并且特别涉及光学互连。
背景技术：
新开发的软件和对现有软件的改进持续产生对计算机系统的处理能力和存储器容量的不断增加的需求。诸如刀片系统之类的典型的高性能机架安装计算机系统包括多个处理器板和存储器板，其通过电子互连结构(fabric)进行电子通信。理想的互连结构允许处理器和存储器独立地缩放以便用足够的存储器或处理速度来重配置计算机系统以满足软件的计算需求。
图1示出了依照本发明的实施例配置的示例一维多总线结构的示意性表示。图2示出了依照本发明的实施例配置的示例收发机的示意性表示。图3示出了依照本发明的实施例的被光学地耦合到四个节点的示例光学总线的示意性表示。图4示出了依照本发明的实施例的与光学总线的波导进行光学通信的η个节点的示例。图5示出了依照本发明的实施例配置的示例二维多总线结构的示意性表示。图6示出了依照本发明的实施例配置的示例一维存储器结构的示意性表示。图7示出了依照本发明的实施例配置的用于扩展存储器设备的示例收发机的示意性表示。图8示出了依照本发明的实施例配置的示例二维存储器结构的示意性表示。图9示出了依照本发明的实施例配置的单插座处理器板的示例。图10示出了依照本发明的实施例配置的双插座处理器板的示例。图11示出了依照本发明的实施例配置的示例八插座计算机系统的等角视图和示意性表示。图12示出了依照本发明的实施例配置的示例三十二插座计算机系统的等角视图和示意性表示。图13示出了依照本发明的实施例配置的存储器扩展板的示例。图14示出了依照本发明的实施例配置的具有存储器扩展的示例计算机系统的端视图。图15示出了用于计算机系统的四个节点的一维布置的基于环的光学互连的示例。图16示出了计算机系统的四个节点的基于切换器的光学互连的示例。图17示出了用于计算机系统的十六个节点的基于环面(torus)的光学互连的示例。
图18示出了十六节点计算机系统的两层基于切换器的光学互连的示例。
具体实施例方式在实践中，计算机系统的互连结构提供有限的缩放容量，并且可能未被配置为随着将来可能在相同系统上运行的软件的计算需求而缩放。处理器的速度已经由于技术改进的原因而稳定地增加了，这已经帮助解决了一些数据处理需求。特别地，集成电路技术方面的发展已经显示出在减小计算机组件的尺寸方面的显著进步，这导致了组件密度的增加， 信号线的横截面尺度的减小和增加的数据速率。在互连结构中电子信号线总线在传统上已经被用来连接各板，但是由于增加了数据速率，所以信号完整性减低了。结果，计算机系统中连接到总线的电路板的数目减少了，并且在许多情况下，已经用点到点电子互连取代了总线。点到点电子互连可以用来产生可缩放电子互连结构。然而，这些电子互连结构具有多个缺点。它们设置起来可能是劳动密集的，并且通过常规电子互连来发送电子信号消耗大量的功率。另外，变得越来越难以缩放电子互连的带宽，并且通过常规电子互连结构来发送电子信号所需的相对时间量正在变得太长以至于不能充分利用由更小且更快的组件提供的高速性能。计算机系统的制造商、设计者和用户已经认识到了针对高速的基于总线的互连结构的市场，其能够被缩放以在没有当前采用的电子互连结构所固有的约束的情况下满足对计算机系统的不断增加的需求。本发明的各种实施例针对产生用于计算机系统的可缩放光学互连结构的多个光学总线的布置。依照本发明的实施例配置的光学互连结构允许计算机系统的处理器和存储器独立地进行缩放，使得能够将计算机系统重新配置为满足软件的变化的计算需求。特别地，光学互连结构实施例允许以低等待时间来将大量的处理器进行互连，并且能够在功率消耗和尺寸方面且在不增加显著等待时间的情况下高效地缩放存储器。光学互连结构包括多个光学总线，与常规电子和光学互连结构相比，其提供了相对更低数目的光学信号跳数， 更低的功率消耗，并且能够适应比相对更高的数据速率。如下组织本发明的详细说明。在第一小节中提供了光学互连结构实施例的一般说明。在第二小节中提供了光学互连结构的实现方式。最后，在第三小节中提供了光学互连结构实施例的优点说明。光学互连结构
图1示出了依照本发明的实施例配置的示例多总线光学结构102的示意性表示。多总线结构102是一维光学互连，其包括提供四个节点108-111之间的光学通信的四个光学总线104-107。这些节点可以是处理器、存储器控制器、服务器、多核处理单元的群集、电路板、 外部网络连接，或者任何其它数据处理、存储或传送设备的任何组合。例如，节点108包括与处理元件(“processing element, PE”)114进行电子通信的路由器112。PE 114可以是单处理器或多核处理器且包括本地存储器。在图1中，诸如箭头1M-127之类的方向箭头表示在节点108-111与光学总线104-107之间发送的光学信号。光学总线104-107包括用于在节点108-111与光学总线104-107之间传送光学信号的四个单独结构端口。每个节点与光学总线中的一个进行光学通信以便广播光学信号，并与其余三个光学总线进行光学通信以便接收从其它三个节点广播的光学信号。换言之，每个节点通过相关联的光学总线向其它节点广播光学信号。可以将广播节点称为主节点。例如，PE 114生成在被发送到路由器112的电子信号116中编码的数据。在此实施例中，路由器112包括下文参考图2描述的收发机，其将电子信号转换成编码相同信息的光学信号并将光学信号1 发送到光学总线 104。光学总线104将从节点108接收到的光学信号广播到节点109-111中的每一个，如方向箭头130-132所指示的。如图1中的示例所示，节点109-111以相同的方式分别在对相的光学总线105-107上广播光学信号。方向箭头125-127分别表示节点108从节点109-111 接收的光学信号。节点108将在光学信号中编码的数据转换成电子信号以进行处理。节点108-111中的每一个包括用于发送和接收光学信号的收发机(图1中未示出)。在某些实施例中，可以将收发机实现为路由器的一部分。在其它实施例中，可以将收发机实现为与路由器进行电子通信的单独设备，如下文在实现方式小节中描述的。图2示出了依照本发明的实施例配置的示例收发机202的示意性表示。收发机202包括传送机204、 三个接收机205-207和接口电子装置208，其与传送机204和接收机205-207进行电子通信。传送机204包括发光源阵列，诸如发光二极管、半导体激光器或垂直腔表面发射激光器 ("vertical cavity surface emitting laser, VCSEL”)。在某些实施例中，可以将所述源配置为以近似相同的波长发射电磁辐射。在其它实施例中，可以将每个源配置为发射提供密集波分复用信道间距的不同波长。在另外其它实施例中，可以将所述源配置为发射在提供粗波分复用信道间距的波长范围内的波长。波分复用的使用减少了相同信道数目所需的波导的数目。在图2中所示的示例中，传送机204包括12个源，其中的每一个由接口电子装置208单独地控制以发射光学信号。方向箭头210每个表示由12个源中的一个生成的单独光学信号。在某些实施例中，可以在单独的波导中将光学信号210发送到多总线结构 102中的光学总线中的一个，或者在其它实施例中，可以将单独的光学信号210光学地直接从传送机204源耦合到相关联的光学总线，如下文参考图3和4描述的。例如，收发机202 可以表示节点108的收发机，并且在图1中用方向天线IM来表示由传送机204生成的12 个光学信号210。接收机205-207中的每一个包括光电检测器阵列。在图2中所示的示例中，接收机205-207均包括12个光电检测器的阵列。光电检测器可以是p-n结或p-i-η结光电检测器。各组箭头211-213均表示由不同的路由器以与由传送机204生成光学信号相同的方式生成的12个光学信号。例如，收发机202可以表示图1中的节点108的收发机，并且在图1中分别用方向箭头125-127来表示发送到接收机205-207的各组光学信号211-213。 在某些实施例中，可以经由单独的波导将每个光学信号载送到接收机的光电检测器。在其它实施例中，可以将每个光学信号光学地直接从相关联的光学总线耦合到接收机的光电检测器。接口电子装置208以电子方式将传送机204和接收机205-207耦合到相应节点的电子组件。接口电子装置208可以包括用于操作传送机204的发光源的驱动器且可以包括用于将由接收机205-207的光电检测器生成的电子信号放大的放大器。接口电子装置208从该节点接收电子信号并将所述电子信号发送到传送机204以生成光学信号。波导 211-213将单独的光学信号引导到接收机205-207的光电检测器。单独的光学信号被转换成单独的对应电子信号，其被发送到将电子信号发送到该节点的接口电子装置208。返回到图1，光学总线104-107均配置有多个单独的波导和用于将由一个节点生成的光学信号广播到其它三个节点的光学分接头。特别地，可以将多总线结构102配置为使得由任何一个节点广播且被其它三个节点接收到的各光学信号以近似相同的光学功率到达。图3示出了依照本发明的实施例的图1中所示的被光学地耦合到节点108-111的光学总线104的示意性表示。光学总线104包括12个单独的波导302。图3揭示了图1 中所示的每个光学信号1 经由诸如反射镜之类的反射设备304被光学地耦合到光学总线 104中的波导302中的一个。可以使用波分复用来将从节点108输出的光学信号中的每一个注入到波导302的每一个中。图3还揭示了图1中所示的光学信号126-128由12个单独的光学信号组成。光学信号126中的每一个经由光学分接头306被从波导302引导到节点109，光学信号127中的每一个经由光学分接头308被从波导302引导到节点110，并且光学信号128中的每一个经由反射设备310被从波导302引导到节点111。光学总线104是被配置为接收由节点108生成的12个光学信号并将这12个光学信号以近似相同的光学功率广播到节点109-111中的每一个的扇出(fan-out)总线。在某些实施例中，可以将光学分接头306配置为作为1/3:2/3射束分离器进行操作，并且可以将光学分接头308配置为作为50 50射束分离器进行操作。例如，考虑由节点108生成的单个光学信号的路径。该光学信号被反射镜304反射到光学耦合波导302中。光学分接头306 将该光学信号的光学功率的近似1/3反射到节点109，并且该光学功率的近似2/3沿着该相同波导302被传送到光学分接头308。在该光学分接头308处，该其余2/3光学功率的近似 1/2被反射到节点110，而该光学功率的其余1/3沿着该同一波导302通过光学分接头308 传送到反射镜310，在那里，其余的光学信号被反射到节点111。因此，对于由节点108生成的12个光学信号中的每一个而言，节点109-111接收与每个光学信号相关联的光学功率的近似1/3。多总线结构102不限于将四个节点光学地互连。在其它实施例中，可以将单个一维多总线结构配置为适应少到2个节点和多到5、6、7或10个或更多节点。由传送功率、总体系统损耗和最小接收机灵敏度来确定节点的最大数目。总的来说，光学总线的光学分接头被配置为使得当由节点通过光学总线广播光学信号时，每个节点接收到该光学信号的总光学功率P的近似l/(n-l)。图4示出了依照本发明的实施例的与波导402进行光学通信的η个节点的示例。波导402可以是上文描述的多总线结构的光学总线的波导，其中表示了 η-2个光学分接头中的五个404-408和两个反射镜410和411。节点412将具有光学功率P的光学信号414输出到波导402。如上文参考图2所描述的，可以通过驱动节点412的传送机的源来生成光学信号。光学分接头被配置为使得每个节点接收具有近似光学功率P/ (η-1)的光学信号的被反射部分。在图4中用OTm指明的光学分接头依照下式将该光学信号功率的一部分 (fraction)反射到光学地耦合的节点
1
ρ rt_
[ηm +■ 2)
并依照下式来传送该光学信号功率的一部分
权利要求
1.一种用于在多个节点(108-111)之间传送光学信号的多总线结构(102)，所述多总线结构包括多个光学总线(104-107)，其中，每个光学总线光学地耦合到所述多个节点中的每个节点，并且每个光学总线被配置为使得一个节点将由该节点生成的光学信号广播到所述多个节点中的其它节点。
2.如权利要求1所述的多总线结构，其中，所述多个光学总线中的每个光学总线(104) 还包括多个波导(302)，其中，每个波导被配置为载送由所述节点之一生成的光学信号中的一个光学信号；和多个光学分接头(304-310)，其光学地耦合到每个波导，其中，光学地耦合到波导的所述光学分接头被配置为将由所述波导载送的光学信号的一部分引导到其它节点中的一个节点。
3.如权利要求2所述的多总线结构，其中，所述波导包括中空波导和光纤中的至少一个。
4.如权利要求2所述的多总线结构，其中，使用波分复用来将由所述节点之一生成的每个光学信号注入到所述多个波导中的每一个中。
5.如权利要求1所述的多总线结构，其中，每个光学总线被配置为将由一个节点生成的光学信号广播到其它节点，还包括所述光学总线已被配置为使得其它节点中的每一个以近似相同的光学功率接收相同光学信号。
6.如权利要求1所述的多总线结构，其中，所述节点还包括路由器(112)和处理元件 (114)。
7.一种用于在节点(608)和多个存储器设备(610-612)之间传送光学信号的存储器多总线结构(602)，所述存储器多总线结构包括光学总线(604)，其光学地耦合到所述节点和多个存储器设备中的每个存储器设备，其中，所述光学总线被配置为使得所述节点通过所述光学总线向所述存储器设备广播光学信号；以及一组光学总线(605-607)，其中，该组光学总线中的每个光学总线光学地耦合到所述节点和所述多个存储器设备中的一个存储器设备，并且每个存储器设备通过该组光学总线中光学耦合的光学总线将由所述存储器设备生成的光学信号发送到所述节点。
8.如权利要求7所述的存储器多总线结构，其中，所述第一光学总线还包括多个波导(302)，其中，每个波导被配置为载送由所述节点生成的光学信号中的一个；以及多个光学分接头(304-310)，其光学地耦合到每个波导，其中，光学地耦合到波导的所述光学分接头被配置为将由所述节点生成的光学信号的一部分引导到所述存储器设备中的每一个。
9.如权利要求7所述的存储器多总线结构，其中，该组光学总线中的每个光学总线还包括多个波导，其中，每个波导被配置为载送由所述多个存储器设备之一生成的光学信号中的一个；以及光学地耦合到每个波导的多个光学分接头，其中，光学地耦合到波导的光学分接头被配置为将由所述存储器设备生成的光学信号引导到所述节点。
10.如权利要求8所述的多总线结构，其中，所述波导包括中空波导和光纤中的至少一个。
11.如权利要求6所述的存储器多总线结构，其中，第一光学总线被配置为以近似相同的光学功率将光学信号广播到所述存储器设备。
12.—种可缩放计算机系统(1400)，其包括多个节点(1406)；以及多个多总线结构(102、1408、1205)，其中，每个多总线结构被配置为提供两个或更多节点之间的光学通信，并且每个节点被配置为与两个或更多多总线结构光学地耦合，其中，每个节点通过光学地耦合到所述节点的两个或更多多总线结构向两个或更多节点广播光学信号以及接收从其广播的光学信号。
13.如权利要求12所述的可缩放计算机系统，其中，每个多总线结构还包括光学地耦合到一个或多个节点的多个光学总线，并且每个光学总线被配置为接收所述一个或多个节点中的一个生成的多个光学信号以及将所述多个光学信号广播到光学地耦合到所述光学总线的其它节点。
14.如权利要求12所述的可缩放计算机系统，还包括多个存储器设备(1414、1416)；以及多个存储器多总线结构(602、1418)，其中，所述存储器多总线结构将一个或多个存储器设备光学地耦合到所述节点中的一个节点，使得所述节点向所述一个或多个存储器设备广播光学信号，并且所述存储器设备中的每一个将光学信号直接发送到所述节点。
15.如权利要求12所述的可缩放计算机系统，其中，所述存储器多总线结构(602、 1418)还包括多个光学总线，其光学地耦合到所述节点和一个或多个存储器设备，使得所述光学总线中的一个被配置为接收由所述节点生成的多个光学信号以及将所述多个光学信号广播到所述一个或多个存储器设备，并且其它光学总线中的每一个被配置为接收由所述存储器设备中的一个生成的多个光学信号并将所述光学信号传送到所述节点。
全文摘要
本发明的各种实施例针对将产生用于计算机系统的可缩放光学互连结构的多个光学总线的布置。在一方面，用于在多个节点(108-111)之间传送光学信号的多总线结构(102)包括多个光学总线(104-107)。每个光学总线被光学地耦合到所述多个节点中的每个节点，并且每个光学总线被配置为使得一个节点将由该节点生成的光学信号广播到所述多个节点中的其它节点。
文档编号H04B10/13GK102461019SQ200980160336
公开日2012年5月16日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者戈斯丁 G., R. T. 谭 M., 麦克莱伦 M. 申请人:惠普开发有限公司