本發(fā)明屬于片上通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波長分配方法，具體涉及一種基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波長分配方法，可用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部核之間的可靠通信。

背景技術(shù)：

片上網(wǎng)絡(luò)(Network on Chip，NoC)，采用基于分組交換方法和分層方法，實現(xiàn)了處理單元與通信結(jié)構(gòu)的分離：片上網(wǎng)絡(luò)中的IP核通過路由節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)中，路由器之間則通過鏈路相連，具有良好的可擴(kuò)展性并提供了良好的并行通信能力。片上網(wǎng)絡(luò)包括采用電連接的片上網(wǎng)絡(luò)和采用光連接的光片上網(wǎng)絡(luò)(Optical Network on Chip，ONoC)。采用電連接的片上網(wǎng)絡(luò)存在著傳輸時延、串?dāng)_、電磁干擾、帶寬、能量利用率、寄生電容和電阻等方面的問題，這些問題隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大逐漸嚴(yán)重。光片上網(wǎng)絡(luò)能很好地滿足片上網(wǎng)絡(luò)對時延、吞吐、能耗等性能的要求，較好地解決傳統(tǒng)的電片上網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題。近年來，隨著光器件技術(shù)的不斷成熟，與CMOS工藝兼容的各種集成光器件都取得了突破性的進(jìn)展，極大地推動了光互連技術(shù)應(yīng)用于片上網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程。

對光片上網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由器、通信協(xié)議等方面。目前在光片上網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的是2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由器大多采用5×5端口結(jié)構(gòu)。2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的可擴(kuò)展性。但其網(wǎng)絡(luò)直徑和平均距離較大，因此隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，器件資源過多，網(wǎng)絡(luò)功耗較大，網(wǎng)絡(luò)面積較大。為減小面積開銷，提高集成度，一些學(xué)者提出了3D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括在豎直方向堆疊的多層2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每層2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由N×N個路由器組成，相鄰路由器之間通過光波導(dǎo)連接，每個路由器連接一個IP核；相鄰兩層光片上網(wǎng)絡(luò)的路由器之間通過光波導(dǎo)在豎直方向上直接連接。3D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的路由器采用7×7端口結(jié)構(gòu)。該7×7端口路由器路由結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部包括至少36個微環(huán)諧振器、8根光波導(dǎo)，光波導(dǎo)之間交叉節(jié)點多且存在大量彎曲光波導(dǎo)，產(chǎn)生了較大的損耗。3D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維光片上網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中同層IP核之間與異層IP核之間的通信，但是存在阻塞嚴(yán)重和損耗大的問題。

在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中同層IP核之間與異層IP核之間的通信時，傳輸?shù)墓庑盘柨梢圆扇尾ㄩL形式或采取多波長形式。由于波分復(fù)用技術(shù)具有緩解阻塞、增大傳輸容量的優(yōu)勢，光片上網(wǎng)絡(luò)多采取多波長進(jìn)行通信。采取多波長通信的光片上網(wǎng)絡(luò)大多利用波長路由以降低傳輸時延與器件開銷?，F(xiàn)有的相應(yīng)波長分配方法是對各層分配一個固定波長。但該波長分配方法只緩解了層間通信時的阻塞問題，層內(nèi)通信仍存在嚴(yán)重的阻塞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波長分配方法，將兩層二維光片上網(wǎng)絡(luò)錯層堆疊，形成錯層三維結(jié)構(gòu)，并設(shè)計相應(yīng)的路由器和層間路由器，利用波分復(fù)用技術(shù)，采用合理的波長分配方法，用于解決現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波長分配方法中存在的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部阻塞嚴(yán)重和損耗大的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括多層光片上網(wǎng)絡(luò)，所述光片上網(wǎng)絡(luò)包括由N×N個路由器1組成的2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相鄰路由器1之間通過光波導(dǎo)2連接，每個路由器1連接一個IP核3；所述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括上層光片上網(wǎng)絡(luò)和下層光片上網(wǎng)絡(luò)，該兩層光片上網(wǎng)絡(luò)沿各自2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對角線方向相互錯位；在相互錯位的兩層光片上網(wǎng)絡(luò)邊緣的四個單層部分的空缺處所對應(yīng)的光片上網(wǎng)絡(luò)中，分別沿該層光片上網(wǎng)絡(luò)中的光波導(dǎo)2方向，添加光波導(dǎo)2；所述相互錯位的兩層光片上網(wǎng)絡(luò)的異層光波導(dǎo)2空間相互垂直的位置，各設(shè)置有兩個諧振波長相等的層間微環(huán)耦合器4，形成錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述兩個層間微環(huán)耦合器4位于一根光波導(dǎo)2的同一側(cè)且位于另一根光波導(dǎo)2的兩側(cè)，形成層間路由器5，用于實現(xiàn)位于異層的IP核3通信時光信號的路由。

上述基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述路由器1采用4×4端口結(jié)構(gòu)，包括通過路由光波導(dǎo)連接的入射單元11和交換單元12，所述入射單元11，包括微環(huán)諧振器組111、兩個E/O單元112和比較單元113，所述兩個E/O單元112的輸入端分別與比較單元113連接，其輸出端分別通過路由光波導(dǎo)與微環(huán)諧振器組111相連，所述微環(huán)諧振器組111由2N個諧振波長互不相等的入射微環(huán)諧振器級聯(lián)而成；所述交換單元12，包括兩個諧振波長相等的交換微環(huán)諧振器。

上述基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，位于同行或同列的路由器1的交換微環(huán)諧振器對應(yīng)的諧振波長各不相等，位于同行或同列的層間路由器5的層間微環(huán)耦合器4對應(yīng)的諧振波長各不相等。

上述基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述相互錯位的兩層光片上網(wǎng)絡(luò)，其錯位距離為其中l(wèi)代表2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中相鄰路由器1之間的距離。

上述基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述光波導(dǎo)2，采用橫截面為矩形的氮化硅材料。

上述基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述層間微環(huán)耦合器4，采用氮化硅材料。

一種基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的波長分配方法，包括如下步驟：

(1)建立錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由器節(jié)點和層間路由器節(jié)點的三維坐標(biāo)系，并根據(jù)該三維坐標(biāo)系確定各節(jié)點的坐標(biāo)值(x,y,z)，其中x、y均為整數(shù)，z＝0，0.5或1，且0≤x≤N-1，0≤y≤N-1；

(2)選取路由器中交換微環(huán)諧振器的工作頻段內(nèi)N個不同波長值λ₀,λ₁,…λ_N-1，同時選取層間微環(huán)耦合器的工作頻段與路由器中交換微環(huán)諧振器的工作頻段重合范圍內(nèi)的N個不同波長值λ_N,λ_N+2,…λ_2N-1，得到2N個不同波長值構(gòu)成的集合{λ₀,λ₁,…λ_m,…λ_2N-1}，其中m代表波長值的序號；

(3)遍歷x、y的所有取值，并判斷(x,y)所對應(yīng)的節(jié)點是否為層間路由器節(jié)點，若是，令m＝[(x+y-1)/2]mod N+N，將波長λ_m分配給坐標(biāo)值為(x,y,z)的節(jié)點；否則，令m＝[(x+y)/2]mod N，將波長λ_m分配給坐標(biāo)值為(x,y,z)的節(jié)點；

(4)根據(jù)建立的三維坐標(biāo)系內(nèi)各節(jié)點所分配到的波長λ_m，配置各節(jié)點內(nèi)部的兩個交換微環(huán)諧振器或者兩個層間微環(huán)耦合器的工作偏置狀態(tài)和溫度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明由于采用基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上層光片上網(wǎng)絡(luò)和下層光片上網(wǎng)絡(luò)相互平移錯位并通過層間路由器實現(xiàn)兩層光片上網(wǎng)絡(luò)的層間連接和路由，使得任意兩個IP核之間通信時光信號最多只需經(jīng)過一次轉(zhuǎn)向，與現(xiàn)有采用3D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維光片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，減少了層間通信轉(zhuǎn)向節(jié)點的個數(shù)，并將層內(nèi)通信的轉(zhuǎn)向節(jié)點與層間通信的轉(zhuǎn)向節(jié)點相互獨立，有效地降低了建鏈過程中的阻塞概率。

2、本發(fā)明由于在分配波長的過程中，采用給每個節(jié)點分配一個固定波長的方法，實現(xiàn)了在不需要波長轉(zhuǎn)換前提下三維光片上網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)波長路由，緩解了層內(nèi)通信建鏈阻塞和層間通信建鏈阻塞，與現(xiàn)有技術(shù)采用按層分配波長僅能緩解層間通信建鏈阻塞的方法相比，進(jìn)一步降低了建鏈過程中的阻塞概率。

3、本發(fā)明由于在選路過程中采用層間路由器和路由器代替現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所采用的7×7端口路由器，層間路由器結(jié)構(gòu)中不存在波導(dǎo)交叉節(jié)點和彎曲光波導(dǎo)，路由器中僅存在一處波導(dǎo)交叉，本發(fā)明與現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)相比，有效地降低了損耗。

4、本發(fā)明由于在選路過程中采用層間路由器和路由器代替現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)所采用的7×7端口路由器，實現(xiàn)了將傳統(tǒng)三維光片上網(wǎng)絡(luò)中7×7端口路由器層內(nèi)選路功能與層間選路功能的分離，每個路由器的交換單元和層間路由器內(nèi)部僅包含兩根光波導(dǎo)，與現(xiàn)有三維光片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所采用的7×7端口路由器相比，有效地簡化了路由器的結(jié)構(gòu)，減小了路由單元占用的面積。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明路由器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明層間路由器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明波長分配方法的實現(xiàn)流程框圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

參照圖1，一種基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括上、下兩層光片上網(wǎng)絡(luò)，每層光片上網(wǎng)絡(luò)包括由4×4個路由器1組成的2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中路由器1的結(jié)構(gòu)如圖2所示，相鄰路由器1之間通過光波導(dǎo)2連接，每個路由器1通過電導(dǎo)線連接一個IP核3。對于層間相對位置關(guān)系，在豎直方向，上層光片上網(wǎng)絡(luò)和下層光片上網(wǎng)絡(luò)之間搭建層間微環(huán)耦合器4；在水平面上，兩層光片上網(wǎng)絡(luò)沿對角線方向相互平移錯位其中l(wèi)代表2D-Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中相鄰路由器1之間的距離。在相互錯位的兩層光片上網(wǎng)絡(luò)邊緣的四個單層部分的空缺處所對應(yīng)的光片上網(wǎng)絡(luò)中，分別沿該層光片上網(wǎng)絡(luò)中的光波導(dǎo)2方向，添加光波導(dǎo)2，以在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥吘墭?gòu)成層間路由器5，層間路由器5的結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩層光片上網(wǎng)絡(luò)之間未通過光波導(dǎo)2連接，層間距離相對于層內(nèi)相鄰兩個路由器1之間的距離l可以忽略不計，通過層間路由器5實現(xiàn)位于異層的IP核3通信時光信號的路由。路由器1與層間路由器5實現(xiàn)了將傳統(tǒng)三維光片上網(wǎng)絡(luò)中7×7端口路由器層內(nèi)選路功能與層間選路功能的分離，為保證光信號由發(fā)送節(jié)點正確可靠地傳輸?shù)浇邮展?jié)點，避免光信號會在非預(yù)約的交換單元12處發(fā)生耦合或嚴(yán)重衰減，位于同行或同列的路由器1的交換微環(huán)諧振器對應(yīng)的諧振波長各不相等，位于同行或同列的層間路由器5的層間微環(huán)耦合器4對應(yīng)的諧振波長各不相等。本光片上網(wǎng)絡(luò)中的光波導(dǎo)2采用橫截面積為矩形的氮化硅材料，其空間幾何尺寸為1μm寬，400nm厚，傳輸損耗為1dB/cm，層間微環(huán)耦合器4直徑為60μm，采用氮化硅材料。

參照圖2，本發(fā)明基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的路由器1為4×4端口結(jié)構(gòu)，由入射單元11、交換單元12和出射單元13組成。入射單元11和交換單元12通過一根路由光波導(dǎo)連接，出射單元13和交換單元12通過與該路由光波導(dǎo)垂直交叉的另一根路由光波導(dǎo)連接。

入射單元11包括微環(huán)諧振器組111、兩個E/O單元112和一個比較單元113。比較單元的兩個輸出端分別與兩個E/O單元的輸入端相連，兩個E/O單元的輸出端分別通過路由光波導(dǎo)與微環(huán)諧振器組111相連。微環(huán)諧振器組111由2N個諧振波長互不相等的入射微環(huán)諧振器級聯(lián)而成。該2N個諧振波長，包括每個交換微環(huán)諧振器對應(yīng)的諧振波長和每個層間微環(huán)耦合器4對應(yīng)的諧振波長。

交換單元12包括兩個諧振波長相等的交換微環(huán)諧振器。該兩個交換微環(huán)諧振器位于兩波導(dǎo)垂直交叉處，且位于一根路由光波導(dǎo)的同一側(cè)，位于另一根路由光波導(dǎo)的兩側(cè)。

出射單元13包括出射微環(huán)諧振器組、4N個O/E單元和一個處理單元。出射微環(huán)諧振器組中的每一個出射微環(huán)諧振器通過路由光波導(dǎo)與兩個O/E單元的輸入端相連，每個O/E單元的輸出端通過電導(dǎo)線與處理單元的輸入端相連。

IP核3與路由器1的連接方式為：IP核3通過電導(dǎo)線與入射單元11中比較單元113的輸入端相連，且通過電導(dǎo)線與出射單元13中處理單元的輸出端相連。

路由器1實現(xiàn)位于同層光片上網(wǎng)絡(luò)的IP核3之間通信時光信號的路由，利用交換微環(huán)諧振器，光信號最多只需經(jīng)過一次轉(zhuǎn)向即可由源節(jié)點傳送至目的節(jié)點。

參照圖3，本發(fā)明基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中層間路由器5的具體結(jié)構(gòu)為：將兩個諧振波長相等的層間微環(huán)耦合器4置于兩層光片上網(wǎng)絡(luò)中異層光波導(dǎo)2空間垂直的位置，兩個層間微環(huán)耦合器4位于一根光波導(dǎo)2的同一側(cè)且位于另一根光波導(dǎo)2的兩側(cè)。層間微環(huán)耦合器4接近上層光片上網(wǎng)絡(luò)的光波導(dǎo)2下方，與下層光片上網(wǎng)絡(luò)的光波導(dǎo)2位于同一水平面。

層間路由器5實現(xiàn)位于異層光片上網(wǎng)絡(luò)的IP核3之間通信時光信號的路由，利用層間微環(huán)耦合器4，光信號只需經(jīng)過一次轉(zhuǎn)向即可由源節(jié)點傳送至目的節(jié)點。

參照圖4，一種基于錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的波長分配方法，包括如下步驟：

步驟1建立錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三維坐標(biāo)系，實現(xiàn)步驟為：

步驟1a以錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中下層頂點位置的路由器節(jié)點為原點，設(shè)與該路由器相連的任一光波導(dǎo)方向為X軸正方向，另一光波導(dǎo)方向為Y軸正方向，豎直向上方向為Z軸正方向；

步驟1b令錯層三維光片上網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的下層光片上網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點z＝0，上層光片上網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點z＝1，層間路由器節(jié)點z＝0.5，同時分別沿X軸正方向和Y軸正方向，對路由器節(jié)點和層間路由器節(jié)點從0到2N-1進(jìn)行編號，得到路由器節(jié)點和層間路由器節(jié)點坐標(biāo)值(x,y,z)。

三維坐標(biāo)系中的各節(jié)點坐標(biāo)值(x,y,z)，其中(x,y)坐標(biāo)值與z坐標(biāo)值唯一對應(yīng)，且對于路由器節(jié)點坐標(biāo)(x,y,z)，x+y為偶數(shù)；對于層間路由器節(jié)點坐標(biāo)(x,y,z)，x+y為奇數(shù)。

步驟2選取交換微環(huán)諧振器的工作頻段中N個不同波長值λ₀,λ₁,…λ_N-1，同時選取層間微環(huán)耦合器的工作頻段中N個不同的波長值λ_N,λ_N+2,…λ_2N-1；得到波長值集合為{λ₀,λ₁,…λ_m,…λ_2N-1}，各波長應(yīng)在其所對應(yīng)的光器件的工作頻段內(nèi)，且2N個波長值互不相等。

步驟3遍歷x、y的所有可能取值，判斷每一對x、y的取值組合所對應(yīng)的節(jié)點是否為層間路由器所在節(jié)點，若是，則令m＝[(x+y-1)/2]mod N+N，將波長λ_m分配給節(jié)點(x,y,z)；否則，令m＝[(x+y)/2]mod N，將波長λ_m分配給節(jié)點(x,y,z)。

步驟4：根據(jù)三維坐標(biāo)系內(nèi)各節(jié)點所分配到的波長值，配置各節(jié)點內(nèi)部的兩個微環(huán)諧振器或者兩個層間微環(huán)耦合器的工作偏置狀態(tài)和工作溫度。