一种集成片上光网络的芯片结构及动态分配方法与流程

本发明涉及集成片上光网络的多核处理器芯片领域，特别是涉及一种片上光网络及波长动态分配方法以实现高性能计算架构。

背景技术：

一个高性能的计算系统包括一块集成了大量的微处理器的芯片，微处理器之间会产生大量的数据，因数据交换带来的能量消耗在高频时，例如tb/s时，会非常的高，因此传统的芯片上的金属导线的连接方式不再适合。通过光学互连来连接芯片上的各个微处理器能够使高频下实现数据交换需要的能量比传统方法少很多，因为这种方案能实现非常小的传输延迟，同时可通过信号的复用来实现传输数据的增加。

现有方案中的基于光学互连的光网络的芯片系统存在的问题是缺乏灵活性，是静态的。一个多核处理器的芯片包括一个电学层(有大量的处理单元ip核)以及光网络层，光网络层包括大量的on-chip或者off-chip的激光器，光电探测器，光波导以及光网络接口。它们按一定方式的规则排布所构成。当前光芯片上的各个组成部分和数据传输的通道都是固定的，不能进行动态调制的，虽然通过光波长的复用实现了更高的带宽，但是不能根据不同的应用需求和数据通信特点进行动态调制，不能实现更高的性能和更低的能耗，同时节省光电器件的使用，减小芯片的面积的技术效果。另外，当下的多核处理器芯片系统需要承担高达千万甚至亿次的计算任务，计算的整个过程是动态的，芯片在实际计算中各个处理单元节点的负载是不同的，会在不同节点形成局部剧烈升温，增加光网络芯片的光信号传输损耗，降低工作速度和性能，降低芯片的稳定性和寿命，而现有方案中的光网络芯片系统不能对芯片上光器件的开、关和使用做出实时的动态调整，芯片的设计、使用和大规模集成片上光器件都受到严重制约，无法满足5g通信、大数据、datacenter、无人驾驶等新兴应用对大规模多核处理器芯片的片上数据传输和计算的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种集成片上光网络的芯片结构及动态分配方法，实现片上硬件资源的灵活调制和波长动态分配，实现更高能效的片上光通信，计算需要的资源更少，芯片的温度稳定性更好，寿命更长。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种集成片上光网络的芯片结构，所述芯片结构包括电学层和光学层，所述电学层和所述光学层通过tsv穿孔连接；所述电学层包括ip核、光网络控制管理单元；所述ip核和所述光网络控制管理单元连接；所述光学层包括光网络接口和光网络；所述光网络控制管理单元和光网络接口相连；所述光网络接口和所述光网络连接；所述光网络接口包括光电探测器、片上激光器、光波导和微环形谐振器；所述ip核，用于通过所述光网络控制管理单元向目的ip核发送电数据；所述光网络控制管理单元，与所述光网络接口连接，用于控制所述各个光网络接口，向光网络接口分配数据发送任务，根据所述ip核需要发送的数据来分配波长，并将所述光网络接口收到的数据发送给ip核；所述光网络接口用于将所述电数据转换为光数据，也将所述光数据转换为电数据；所述激光器，用于发送所述光数据；所述光电探测器，用于将收到的光数据转换为电数据；所述光网络控制管理单元，分别与所述光电探测器、激光器连接，用于接收所述光电探测器转换的电数据，且控制所述激光器将光数据发送出去；所述光网络控制管理单元与所述微环谐振器连接，用于控制所述微环谐振器的谐振波长；所述微环谐振器与所述光电探测器、所述激光器、所述光波导连接，用于将所述激光器发出的光信号耦合到光波导上，并将光波导上的光信号导入到光电探测器；所述光网络，与所述光网络接口通过所述光波导连接。

可选的，所述ip核的数量为n个。

可选的，所述光网络接口的数量为n个。

可选的，各个所述光网络接口通过光波导依次与对应的光网络连接。

可选的，所述光波导数量为1条。

可选的，所述微环谐振器的结构是微环。

可选的，所述微环谐振器的工作状态被所述光网络管理单元控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种集成片上光网络的芯片结构的分配方法，所述分配方法包括：

获取ip核传输的数据信息；

将所述数据信息传输到光网络管理单元；

光网络管理单元根据不同的计算任务建立不同波长的信道，并动态分配接口的工作状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种集成片上光网络的芯片结构，所述芯片结构包括电学层和光学层，所述电学层和所述光学层通过tsv穿孔连接；所述电学层包括ip核、光网络控制管理单元；所述ip核和所述光网络控制管理单元连接；所述光学层包括光网络接口和光网络；所述光网络控制管理单元和光网络接口相连；所述光网络接口和所述光网络连接；所述光网络接口包括光电探测器、片上激光器、光波导和微环形谐振器。采用本发明的光网络芯片装置，实现片上硬件资源的灵活调制和波长动态分配，实现更高能效的片上光通信，计算需要的资源更少，芯片的温度稳定性更好，寿命更长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例集成片上光网络的芯片结构图；

图2为本发明实施例集成片上光网络的芯片结构的分配方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

光网络和它的接口在实际工作中会产生很多热量，温度的变化使得接口的工作性能变差，光波的损耗在路由和接口光电转换时损耗增加，动态分配时，在工作量大和计算量大的节点，温度过高，通过减少分配到该节点的波长数，使该节点光网络接口中的部分激光器处于静默状态或不工作，然后把计算和通信任务转移到其他一些计算量少的节点。

图1为本发明实施例集成片上光网络的芯片结构图。如图1所示，一种集成片上光网络的芯片结构，所述芯片结构包括电学层和光学层，所述电学层和所述光学层通过tsv穿孔连接；所述电学层包括ip核1、光网络控制管理单元2；所述ip核1和所述光网络控制管理单元2连接；所述光学层包括光网络接口3和光网络4；所述光网络控制管理单元2和光网络接口3相连；所述光网络接口3和所述光网络4连接；所述光网络接口3包括光电探测器31、片上激光器32、光波导33和微环形谐振器34；所述ip核1，是芯片上的计算和存储单元，用于通过所述光网络控制管理单元2向目的ip核发送电数据；所述光网络控制管理单元2，与所述光网络接口3连接，用于控制所述各个光网络接口3，向光网络接口3分配数据发送任务，根据所述ip核1需要发送的数据来分配波长，并将所述光网络接口3收到的数据发送给ip核；所述光网络接口3用于将所述电数据转换为光数据，也将所述光数据转换为电数据；所述激光器，用于发送所述光数据；所述光电探测器31，用于将收到的光数据转换为电数据；所述光网络控制管理单元2，分别与所述光电探测器31、激光器32连接，用于接收所述光电探测器31转换的电数据，且控制所述激光器32将光数据发送出去；所述光网络控制管理单元2与所述微环谐振器34连接，用于控制所述微环谐振器34的谐振波长；所述微环谐振器34与所述光电探测器31、所述激光器32、所述光波导33连接，用于将所述激光器32发出的光信号耦合到光波导33上，并将光波导33上的光信号导入到光电探测器；所述光网络4，与所述光网络接口3通过所述光波导33连接。

所述ip核1的数量为n个。所述光网络接口3的数量为n个。各个所述光网络接口3通过光波导33依次与对应的光网络4连接。

所述光波导33的数量为1条，单光波导的优点：简化layout，减少信道串扰，减小器件尺寸，减少芯片面积，满足单向、双向、多向的需求。如果是2条或者多条光波导相连，由它们组成的片上光网络的芯片不可避免会发生光波导的交叉，在交叉的地方产生很大的损耗和串扰。因此，本发明采用1条光波导。

所述微环谐振器34的结构是微环。所述微环谐振器34的工作状态被所述光网络管理单元控制，如果微环谐振器34初始的谐振波长发生改变，不能发送或接收该初始波长的光信号；如果不加；初始谐振波长未发生改变，可以发送或接收该初始波长的光信号；所述波长的改变通过加电、加温来改变微环的折射率来实现；所述微环谐振波长的改变也通过改变入射波导的耦合角度的方式来实现

采用本发明的光网络装置，能够实现片上硬件资源的灵活调制和动态分配，实现更高能效的片上光通信。

图2为本发明实施例集成片上光网络的芯片结构的分配方法流程图。如图2所示，一种集成片上光网络的芯片结构的分配方法，所述分配方法包括：

步骤101：获取ip核传输的数据信息；

步骤102：将所述数据信息传输到光网络管理单元；

步骤103：光网络管理单元根据不同的计算任务建立不同波长的信道，并动态分配接口的工作状态。

动态分配通过两个维度：1信号光波长，2是某一波长的信号的光强度，不是模拟值，而是数字化为几档的激光器光功率。

动态分配的优点是：1.减小延迟，2.降低能耗。减少多核网络计算时间通过增加信道数目，降低能耗则可通过减少信道数目平衡各节点使用的光波长和激光器数目来显著降低，两个指标需要实时优化。而通过光网络管理单元和以上的实施例方法的单独和叠加使用，减少传输距离，降低激光器输出光功率可同时实现时间节省和能耗降低。另外，信道数目的增加可以减少完成目标任务所需使用的光器件，从而减小芯片面积。

本发明的光网络装置整体为环形的，是由芯片集成的，至少包括3个光网络接口，每个接口和芯片上的器件(ipcomponent)相连(器件的定义见下文)，接口之间通过1条光波导来连接，接口和芯片器件之间通过电导线连接。每个接口内部特征是包含一个光网络接口管理单元(它的作用是能根据不同器件间要传输的数据动态分配信道)，每个接口的组成是激光器、光电探测器，激光器发出数据，光电探测器接收数据，激光器和光电探测器通过电导线连接光网络接口管理单元，由管理单元决定何时发送何种数据，它同时设置激光器和光电探测器的工作状态；第一个激光器可发出波长l0的光信号，代表了需要传输的数据(0，1，0，0，0，0，1)；第二个激光器可发出波长l1的光信号；第一个探测器探测波长l0；第二个探测器探测波长l1；芯片上含有大量电的器件(ip核，ipcomponent，ipblock，处理单元)，包括片上的计算资源，处理器、存储资源和其他功能组件。

接口的工作原理：

每一个接口包括接收和发送两个部分，接收部分有n-1个微环，每一个微环对应提取信道中的一个波长的信号，它的原理是如果微环的谐振波长和信号波长一致，则该信号被提取，否则该信号通过微环。发送部分是由n-1个激光器，例如vcsel组成，每个激光器可以发出一个波长的光信号来建立一个信道，或者不发出一个波长的信号，这是由管理单元动态分配信道决定的。

网络管理单元的工作原理：

第一步，判断各个器件之间需要传输哪些数据；第二步，分配不同的信道；第三步，建立不同的信道，配置接口的状态，

处理单元会把需要传送的信息告诉网络管理单元，网络管理单元通过协议来实现资源的分配，例如每个报文要发送请求，报文中包含偏置信息，管理单元需要提取偏置信息。

动态分配的原理：

如果在一个时间点，有三个ip核p0p1p2分别执行三个进程t0t1t2，ip核之间需要互相通信，彼此传输数据才能执行完三个进程。

第一步分配：分配波长l0用于将数据从p0发给p1；

分配波长l0用于将数据从p1发给p2；

分配波长l1用于将数据从p0发给p2；

p0到p1连接的光波导如果已经使用了波长l0作为p0发数据到p1的信道，那么如果p0要发送数据到其他ip核，必须要使用不一样的波长。

第二步，p0开始执行进程t0，执行完毕将数据分别用波长l0和l1发送给p1和p2；

第三步，p1收到所有来自p0的数据后，开始执行t1，完成后通过l0将数据发送给p2；

第三步，p2先收到来自p0的数据，但是等待，直到也收到了来自p1的数据后，开始执行t2，执行完t2，任务完成。

动态分配激光器的光功率：因为距离远近不同，发送光信号需要的激光器功率不同，如果功率不够，会导致误码率升高；另外也可以采用l0l1l2三种波长来实现5的工作，但是会导致总带宽增加，光波导内不同波长的光信号间的串扰增加，使得实现整个网络通信的能耗增大。

芯片上的激光器和光电探测器都是用微环的结构来实现的，作用是发出一个波长的光信号，和接收一个波长的光信号。一个微环的结构对一个波长敏感，所以如果加一个控制信号导致信号的波长和微环的敏感波长匹配或者不匹配，微环可以接收或者不接收这个波长的信号。

具体实施例1：

如果单元a发送数据到单元b，c，d，则管理单元分配3个信道，第一个信道连接单元a和单元b，第二个信道连接单元a和c，第三个信道连接单元a和d，第一个信道用波长1，第二个信道用波长2，第三个信道用波长3。具体的话，在第一个接口，配置激光器的3个微环，分别激发波长1，波长2，波长3，在第二个接口，配置接收单元，激活波长1的微环，所以波长1的信号就被单元b所接收，其他信号通过该接口，不被提取，同理，在第三个接口，激活波长2，波长2的信号被单元c接收，其他信号不被接收，在第三个接口，波长3的信号被单元d接收。通过这种方式，实现一个数据在网络内的基于不同波长的广播机制。

配置微环的开关状态是通过调节微环谐振腔的特征谐振波长来实现的，可以通过加电注入载流子或者加热来改变微环的折射率，或者机械改变光波导和谐振腔的耦合角从而实现谐振波长的移动，如果信号波长和微环的谐振波长一致，则信号就被微环提取，否则信号通过该微环。

另外，如果在t1时刻信道传输的数据已经发送完毕，管理单元可以重新分配资源，例如在下一时刻，数据需要被单元a发送到单元b和单元d，单元c也需要发送数据到单元d，单元d也需要发送数据到单元c，此时管理单元重新分配信道资源，在单元a和单元b的接口之间分配一个波长1的信道，在单元a和单元d的接口之间分配一个波长2的信道，在单元c和d之间分配一个波长3的信道(波长3用于将数据从单元c发送到单元d)，在单元d和c之间分配一个波长4的信道(波长4用于将数据从单元d发送到单元c)。

另外，如果单元c发送数据给单元d，不需要使用波长4，也可以使用波长1，因为单元c和d的连接通道，与单元a和b的连接通道是不重合的，所以既然波长1只在单元a用来发送数据到单元b，它也可以被单元c使用来发送数据给单元d，这样可以节省一个波长的信道资源的使用。

具体实施例2：

如果处理单元a需要和处理单元c之间进行数据流通信(多媒体、语音、视频、图像等)，所有的通道资源都会分配给这个数据传输，具体就是需要同时使用波长1，波长2，波长3和波长4的4个通道，这样a和c之间数据传输的带宽就是使用一个波长的带宽的四倍，能实现四倍的传输速度，计算能力得到很大的提高。

同时为了降低能耗，激光光源发出的信号的光强，根据距离的远近可以调节，例如单元a发送给单元b，由于距离近，可以用很小的功率发，光强的高低由网络管理单元决定。实现手段：芯片的光网络接口模块中的激光器和驱动电路已经预先设定激光器能够输出的光功率，例如通过1个偏置的三极管带4个串联三极管的电路结构可输出四档驱动电流(i，2i，3i，4i)，从而调制激光器发出四档相应的输出光功率，采用这种方式进行动态分配激光器光功率，只需要配置1个或者多个三极管处于导通状态就能实现，这样的片上激光器的驱动模块结构简单，能提高多功率输出片上激光器的工作稳定性并且降低驱动噪声。

另外，网络接口的发射端可以根据需要选择激光器的发射方向，使得传输路径最短，需要的光功率最少。

发射信道的方向取决于激光器的设置，可以实时动态控制，90度角的调整通过片上激光器谐振腔的布拉格干涉层的加电注入载流子，产生相对于0度时的半相位差，来实现激光器发射方向的变化。

具体实施例3：

有4个计算单元，4个光接口，光接口一连接光接口2，光接口3，光接口4；接口4发给接口1和接口2，接口1发给接口2和接口3，接口1发给接口3的时候不需要经过接口2，发给接口4的时候不需要经过接口2，节省了路由的跳数

如果是一个n个接口的网络，连接了n个处理器，接口1发给最远的接口n的光信号，原来需要经过n-1个接口，现在需要n/2(n为偶数)，或者(n-1)/2(n为奇数)。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。