基于错层三维光片上网络的拓扑结构及波长分配方法与流程

本发明属于片上通信技术领域，涉及一种三维光片上网络的拓扑结构及波长分配方法，具体涉及一种基于错层三维光片上网络的拓扑结构及波长分配方法，可用于网络内部核之间的可靠通信。

背景技术：

片上网络(Network on Chip，NoC)，采用基于分组交换方法和分层方法，实现了处理单元与通信结构的分离：片上网络中的IP核通过路由节点连接到网络中，路由器之间则通过链路相连，具有良好的可扩展性并提供了良好的并行通信能力。片上网络包括采用电连接的片上网络和采用光连接的光片上网络(Optical Network on Chip，ONoC)。采用电连接的片上网络存在着传输时延、串扰、电磁干扰、带宽、能量利用率、寄生电容和电阻等方面的问题，这些问题随着网络规模的扩大逐渐严重。光片上网络能很好地满足片上网络对时延、吞吐、能耗等性能的要求，较好地解决传统的电片上网络所面临的问题。近年来，随着光器件技术的不断成熟，与CMOS工艺兼容的各种集成光器件都取得了突破性的进展，极大地推动了光互连技术应用于片上网络的进程。

对光片上网络的研究主要集中在拓扑结构、路由器、通信协议等方面。目前在光片上网络领域中应用最为广泛拓扑结构的是2D-Mesh拓扑结构，路由器大多采用5×5端口结构。2D-Mesh拓扑结构结构简单，具有良好的可扩展性。但其网络直径和平均距离较大，因此随着网络规模的扩大，器件资源过多，网络功耗较大，网络面积较大。为减小面积开销，提高集成度，一些学者提出了3D-Mesh拓扑结构，该拓扑结构包括在竖直方向堆叠的多层2D-Mesh拓扑结构，每层2D-Mesh拓扑结构均由N×N个路由器组成，相邻路由器之间通过光波导连接，每个路由器连接一个IP核；相邻两层光片上网络的路由器之间通过光波导在竖直方向上直接连接。3D-Mesh拓扑结构中的路由器采用7×7端口结构。该7×7端口路由器路由结构复杂，内部包括至少36个微环谐振器、8根光波导，光波导之间交叉节点多且存在大量弯曲光波导，产生了较大的损耗。3D-Mesh拓扑结构的三维光片上网络实现了网络中同层IP核之间与异层IP核之间的通信，但是存在阻塞严重和损耗大的问题。

在实现网络中同层IP核之间与异层IP核之间的通信时，传输的光信号可以采取单波长形式或采取多波长形式。由于波分复用技术具有缓解阻塞、增大传输容量的优势，光片上网络多采取多波长进行通信。采取多波长通信的光片上网络大多利用波长路由以降低传输时延与器件开销。现有的相应波长分配方法是对各层分配一个固定波长。但该波长分配方法只缓解了层间通信时的阻塞问题，层内通信仍存在严重的阻塞。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出基于错层三维光片上网络的拓扑结构及波长分配方法，将两层二维光片上网络错层堆叠，形成错层三维结构，并设计相应的路由器和层间路由器，利用波分复用技术，采用合理的波长分配方法，用于解决现有三维光片上网络拓扑结构及波长分配方法中存在的网络内部阻塞严重和损耗大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于错层三维光片上网络的拓扑结构，包括多层光片上网络，所述光片上网络包括由N×N个路由器1组成的2D-Mesh拓扑结构，相邻路由器1之间通过光波导2连接，每个路由器1连接一个IP核3；所述拓扑结构包括上层光片上网络和下层光片上网络，该两层光片上网络沿各自2D-Mesh拓扑结构的对角线方向相互错位；在相互错位的两层光片上网络边缘的四个单层部分的空缺处所对应的光片上网络中，分别沿该层光片上网络中的光波导2方向，添加光波导2；所述相互错位的两层光片上网络的异层光波导2空间相互垂直的位置，各设置有两个谐振波长相等的层间微环耦合器4，形成错层三维光片上网络拓扑结构，所述两个层间微环耦合器4位于一根光波导2的同一侧且位于另一根光波导2的两侧，形成层间路由器5，用于实现位于异层的IP核3通信时光信号的路由。

上述基于错层三维光片上网络的拓扑结构，所述路由器1采用4×4端口结构，包括通过路由光波导连接的入射单元11和交换单元12，所述入射单元11，包括微环谐振器组111、两个E/O单元112和比较单元113，所述两个E/O单元112的输入端分别与比较单元113连接，其输出端分别通过路由光波导与微环谐振器组111相连，所述微环谐振器组111由2N个谐振波长互不相等的入射微环谐振器级联而成；所述交换单元12，包括两个谐振波长相等的交换微环谐振器。

上述基于错层三维光片上网络的拓扑结构，所述错层三维光片上网络拓扑结构，位于同行或同列的路由器1的交换微环谐振器对应的谐振波长各不相等，位于同行或同列的层间路由器5的层间微环耦合器4对应的谐振波长各不相等。

上述基于错层三维光片上网络的拓扑结构，所述相互错位的两层光片上网络，其错位距离为其中l代表2D-Mesh拓扑结构中相邻路由器1之间的距离。

上述基于错层三维光片上网络的拓扑结构，所述光波导2，采用横截面为矩形的氮化硅材料。

上述基于错层三维光片上网络的拓扑结构，所述层间微环耦合器4，采用氮化硅材料。

一种基于错层三维光片上网络的拓扑结构的波长分配方法，包括如下步骤：

(1)建立错层三维光片上网络拓扑结构的路由器节点和层间路由器节点的三维坐标系，并根据该三维坐标系确定各节点的坐标值(x,y,z)，其中x、y均为整数，z＝0，0.5或1，且0≤x≤N-1，0≤y≤N-1；

(2)选取路由器中交换微环谐振器的工作频段内N个不同波长值λ₀,λ₁,…λ_N-1，同时选取层间微环耦合器的工作频段与路由器中交换微环谐振器的工作频段重合范围内的N个不同波长值λ_N,λ_N+2,…λ_2N-1，得到2N个不同波长值构成的集合{λ₀,λ₁,…λ_m,…λ_2N-1}，其中m代表波长值的序号；

(3)遍历x、y的所有取值，并判断(x,y)所对应的节点是否为层间路由器节点，若是，令m＝[(x+y-1)/2]mod N+N，将波长λ_m分配给坐标值为(x,y,z)的节点；否则，令m＝[(x+y)/2]mod N，将波长λ_m分配给坐标值为(x,y,z)的节点；

(4)根据建立的三维坐标系内各节点所分配到的波长λ_m，配置各节点内部的两个交换微环谐振器或者两个层间微环耦合器的工作偏置状态和温度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用基于错层三维光片上网络的拓扑结构，上层光片上网络和下层光片上网络相互平移错位并通过层间路由器实现两层光片上网络的层间连接和路由，使得任意两个IP核之间通信时光信号最多只需经过一次转向，与现有采用3D-Mesh拓扑结构的三维光片上网络技术相比，减少了层间通信转向节点的个数，并将层内通信的转向节点与层间通信的转向节点相互独立，有效地降低了建链过程中的阻塞概率。

2、本发明由于在分配波长的过程中，采用给每个节点分配一个固定波长的方法，实现了在不需要波长转换前提下三维光片上网络的全网波长路由，缓解了层内通信建链阻塞和层间通信建链阻塞，与现有技术采用按层分配波长仅能缓解层间通信建链阻塞的方法相比，进一步降低了建链过程中的阻塞概率。

3、本发明由于在选路过程中采用层间路由器和路由器代替现有三维光片上网络架构所采用的7×7端口路由器，层间路由器结构中不存在波导交叉节点和弯曲光波导，路由器中仅存在一处波导交叉，本发明与现有三维光片上网络相比，有效地降低了损耗。

4、本发明由于在选路过程中采用层间路由器和路由器代替现有三维光片上网络所采用的7×7端口路由器，实现了将传统三维光片上网络中7×7端口路由器层内选路功能与层间选路功能的分离，每个路由器的交换单元和层间路由器内部仅包含两根光波导，与现有三维光片上网络架构所采用的7×7端口路由器相比，有效地简化了路由器的结构，减小了路由单元占用的面积。

附图说明

图1是本发明实例的拓扑结构的结构示意图；

图2是本发明路由器的结构示意图；

图3是本发明层间路由器的结构示意图；

图4是本发明波长分配方法的实现流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明：

参照图1，一种基于错层三维光片上网络的拓扑结构，包括上、下两层光片上网络，每层光片上网络包括由4×4个路由器1组成的2D-Mesh拓扑结构，其中路由器1的结构如图2所示，相邻路由器1之间通过光波导2连接，每个路由器1通过电导线连接一个IP核3。对于层间相对位置关系，在竖直方向，上层光片上网络和下层光片上网络之间搭建层间微环耦合器4；在水平面上，两层光片上网络沿对角线方向相互平移错位其中l代表2D-Mesh拓扑结构中相邻路由器1之间的距离。在相互错位的两层光片上网络边缘的四个单层部分的空缺处所对应的光片上网络中，分别沿该层光片上网络中的光波导2方向，添加光波导2，以在网络拓扑边缘构成层间路由器5，层间路由器5的结构如图3所示。两层光片上网络之间未通过光波导2连接，层间距离相对于层内相邻两个路由器1之间的距离l可以忽略不计，通过层间路由器5实现位于异层的IP核3通信时光信号的路由。路由器1与层间路由器5实现了将传统三维光片上网络中7×7端口路由器层内选路功能与层间选路功能的分离，为保证光信号由发送节点正确可靠地传输到接收节点，避免光信号会在非预约的交换单元12处发生耦合或严重衰减，位于同行或同列的路由器1的交换微环谐振器对应的谐振波长各不相等，位于同行或同列的层间路由器5的层间微环耦合器4对应的谐振波长各不相等。本光片上网络中的光波导2采用横截面积为矩形的氮化硅材料，其空间几何尺寸为1μm宽，400nm厚，传输损耗为1dB/cm，层间微环耦合器4直径为60μm，采用氮化硅材料。

参照图2，本发明基于错层三维光片上网络的拓扑结构采用的路由器1为4×4端口结构，由入射单元11、交换单元12和出射单元13组成。入射单元11和交换单元12通过一根路由光波导连接，出射单元13和交换单元12通过与该路由光波导垂直交叉的另一根路由光波导连接。

入射单元11包括微环谐振器组111、两个E/O单元112和一个比较单元113。比较单元的两个输出端分别与两个E/O单元的输入端相连，两个E/O单元的输出端分别通过路由光波导与微环谐振器组111相连。微环谐振器组111由2N个谐振波长互不相等的入射微环谐振器级联而成。该2N个谐振波长，包括每个交换微环谐振器对应的谐振波长和每个层间微环耦合器4对应的谐振波长。

交换单元12包括两个谐振波长相等的交换微环谐振器。该两个交换微环谐振器位于两波导垂直交叉处，且位于一根路由光波导的同一侧，位于另一根路由光波导的两侧。

出射单元13包括出射微环谐振器组、4N个O/E单元和一个处理单元。出射微环谐振器组中的每一个出射微环谐振器通过路由光波导与两个O/E单元的输入端相连，每个O/E单元的输出端通过电导线与处理单元的输入端相连。

IP核3与路由器1的连接方式为：IP核3通过电导线与入射单元11中比较单元113的输入端相连，且通过电导线与出射单元13中处理单元的输出端相连。

路由器1实现位于同层光片上网络的IP核3之间通信时光信号的路由，利用交换微环谐振器，光信号最多只需经过一次转向即可由源节点传送至目的节点。

参照图3，本发明基于错层三维光片上网络的拓扑结构中层间路由器5的具体结构为：将两个谐振波长相等的层间微环耦合器4置于两层光片上网络中异层光波导2空间垂直的位置，两个层间微环耦合器4位于一根光波导2的同一侧且位于另一根光波导2的两侧。层间微环耦合器4接近上层光片上网络的光波导2下方，与下层光片上网络的光波导2位于同一水平面。

层间路由器5实现位于异层光片上网络的IP核3之间通信时光信号的路由，利用层间微环耦合器4，光信号只需经过一次转向即可由源节点传送至目的节点。

参照图4，一种基于错层三维光片上网络的拓扑结构的波长分配方法，包括如下步骤：

步骤1建立错层三维光片上网络拓扑结构三维坐标系，实现步骤为：

步骤1a以错层三维光片上网络的拓扑结构中下层顶点位置的路由器节点为原点，设与该路由器相连的任一光波导方向为X轴正方向，另一光波导方向为Y轴正方向，竖直向上方向为Z轴正方向；

步骤1b令错层三维光片上网络的拓扑结构的下层光片上网络的路由器节点z＝0，上层光片上网络的路由器节点z＝1，层间路由器节点z＝0.5，同时分别沿X轴正方向和Y轴正方向，对路由器节点和层间路由器节点从0到2N-1进行编号，得到路由器节点和层间路由器节点坐标值(x,y,z)。

三维坐标系中的各节点坐标值(x,y,z)，其中(x,y)坐标值与z坐标值唯一对应，且对于路由器节点坐标(x,y,z)，x+y为偶数；对于层间路由器节点坐标(x,y,z)，x+y为奇数。

步骤2选取交换微环谐振器的工作频段中N个不同波长值λ₀,λ₁,…λ_N-1，同时选取层间微环耦合器的工作频段中N个不同的波长值λ_N,λ_N+2,…λ_2N-1；得到波长值集合为{λ₀,λ₁,…λ_m,…λ_2N-1}，各波长应在其所对应的光器件的工作频段内，且2N个波长值互不相等。

步骤3遍历x、y的所有可能取值，判断每一对x、y的取值组合所对应的节点是否为层间路由器所在节点，若是，则令m＝[(x+y-1)/2]mod N+N，将波长λ_m分配给节点(x,y,z)；否则，令m＝[(x+y)/2]mod N，将波长λ_m分配给节点(x,y,z)。

步骤4：根据三维坐标系内各节点所分配到的波长值，配置各节点内部的两个微环谐振器或者两个层间微环耦合器的工作偏置状态和工作温度。