光互连技术的探讨.docx
《光互连技术的探讨.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光互连技术的探讨.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
光互连技术的探讨
光互连技术的探讨
第13卷第1期电脑开发与应用
～
光互连技术的探讨
StudyOilOpticalInterconnectionTechnology
苎德志{）
（华中理工大学武汉4§oo4）
【摘要】讨论了电互连方式的缺陷以及光互连方式的优点,舟绍了当前光互连的基本情况.运过对一个具体光
互连模型的分析,论述了光互连的基本原理及
【关键诩
AB【1Ur
丧兰鸯,电,!
丝整圭查
Thepaperdiscussesthedisadvantages
光学实现技术.最后叙述了光互连模型实现n维超立方的算法.
磷两缱
ofelectricalintan力ec廿
troducesthepresent|
—
dimensionsupercubealgorithmforopticalinterconnectionmodelisdealedwith.
n～dimensionsupercube
随着当前信息系统所处理信息的不断增长,人们
对处理器的速度和系统吞吐率的需求也在不断增长.
这要求人们在两个方面对现有计算机体系结构进行改
进:
一个方面是不断提高计算机处理单元的速度;另一
个方面是采用大规模并行处理的方式,实现系统处理
速度的提高和吞吐率的扩大.但这也带来了怎样进行
处理器一处理器,处理器一其他模块的互连问题,需
要考虑采用什么方式,以什么样的结构进行连接.
在高速并行计算机中取代电互连方式解决互连通
讯问题的一个可行的方案是采用光互连.光互连采用
光作为数据传递媒质,进行互连通讯.光互连方式提供
了许多优于电互连的特点,包括:
①利用光作为信息传
递媒质可以充分利用光所固有的并行性.②光互连方
式具有很高的时间,空间带宽.电互连通讯受带宽,电
阻,电容,电感等因素限制;而在光互连方式中,通讯的
带宽仅由载波频率决定,电子系统的频率为1OMHz—
lGHz,可见光的载波频率5×10”I-Iz,相比之下要高得
多.③利用光互连方式能够显着地降低”串音”发生.④
利用光互连方式能够显着地降低外界电磁场的干扰.
⑤光互连方式下数据的传输速度与距离及同意负载无
关.⑥利用光互连方式能够不受平面的限制,有效地利
用三维空间,实现比电互连方式密度更大,更为复杂的
互联网络拓扑结构.⑦在光互连方式下,由于光信号之
间不存在相互干扰,且光信号本身失真度小,因而不存
在信号失真,时钟扭曲的现象.
1光互连的简介
目前,在光互连中,光信号的传送主要采取两种方
式:
波导互连方式和自由空间互连方式.一
波导互连方式采用光纤或波导管传送光信号,这
与电互连方式下电信号通过信号线传送有些类似.然
而不同的是,在光纤或波导管内可以采用波分复用等
方式并行地传送多路光信号,完成不同的通讯连接.同
时,还可以用光过滤器等一些光学器件进行路由选择.
关于使用波导互连方式进行光互连已有不少学者进行
了研究,并提出了不少的互连结构模型,如波分复用的
光总线模型,H0RN模型等等.但是,波导方式有其严
重的缺陷.波导方式需要为光信号提供物理通路,这些
物理通路可以通过使用集成到基板上的光纤或波导管
实现,但这种方式带来的主要缺点是相对较低的互连
密度,缺乏灵括性,以及相邻波导之间的串音,会产生
严重的耦合丢失现象等等.
目前许多研究人员的目光转向另一种互连方式枣
自由空间光互连.与波导方式不同,自由空间光互连使
用自由空间传播信号（此处的自由空间一般指真空）,
透露和光衍射板是为自由空间光互连提供通信信道的
两个典型光学器件.自由空间互连方式非常适用于芯
片一芯片,板一板级的互连.这是因为:
首先,它能充分
利用光的空间带宽和并行性.其次,它不产生相互干扰
（因为光可在空间中彼此穿越而不相互干扰）更重要
*1999—09—20收到
**韩德志,男,1966年12月生,1990年毕业于台肥工业大学,华中理工大学研究生,讲师,研究方向:
阿络存储
光互连技术舶探讨2000正
的是,它不受限于物理通道,因而可以灵活地构成各种
拓扑结构的互联网络,有很强的可重构性.此外,由于
它可使用简单的光成象方式,功耗小,信号失真度小,
结构简单,易于集成.
自由空间光互连方式可以根据源节点到目的的节
点的通讯模式是否随源节点空间的位置的不同而有差
异（这称为”空间可变性”）进行分类,分为空间可变光
互连和空间不可变光互连方式.空间可变性程度决定
了所实现的网络的复杂度和规整性.如图1所示,完全
的空间可变网络通用性极强,可实现任意两个节点的
互连,也就是说,通讯的模式可以是任意的.完全的空
间不变网络具有如图2所示的极规整的结构,每个节
点的连接方式都是一样的.在设计光互联网中,必须对
网络互联程度,实现复杂度以及网络规整程度之间进
行折衷空间不变网络可以用象透镜,镜面,衍射板这
样简单的光学器件方便且高教地实现;而空间可变互
联网络则需要复杂的光学实现方式,因而导致较低的
密度和较高的实现代价
图1空间可变光互连图2空阃不变光互连
2一个具体光互连模型的分析
模型的原理及特点简介
美国的ArizonaTucson大学的AhmedLouri所
提出的模型如图3所示,它包含两个置于平面板上,面
对面地排列着的二维PE阵列.一个光互连模块OIM
（OpticalI~xterconnectModule）位于这两个平板之间
OIM在板之问提供空间不变连接.该模型将网络中的
PEs划分为两个同样大小的集合,在同一个平板（集
合）上的任意两上PE之间均不存在直接互联.该模型
有光源和检测器的
图3AhmedLouri的空间不变光互连模型
基于平面化的PE阵列构造而成,并且是空间不变的.
可用简单,高教的光学方式实现.每一个板上都含有多
个电子处理单元（PE）,每一个PE都含有集成于其上
的光源和光检测器.所有PE间连接均由通过与PE阵
列平面相垂直的第三维度的自由空间光实现.与使用
电互连时被限制在二维电路板上相比,这使电路设计
者在进行三维方案设计时有更大的灵活性.此外,该模
型将:
①更好地利用光映象系统中的空间带宽SBWP;
②充分利用自由空间光的并行性;③能够加倍廉价高
教,因为所有射向器件平面的光线都使用同一套成象
及光线控制元件进行互连,因而光器件的费用为大量
的阵列元件所分担;④与目前在精简,2维光逻辑开关
及光一电集成电器技术的进步相适应}⑤为设计更快
的并行处理算法提供了新的可能性.
该模型包含三种光元件:
光源,光检测器以及光互
连模块0IM.
光源可以是直接调制的半导体激光器,发光二极
管或是垂直空穴表面发射激光器另外,一个配合外部
光源使用的调制器也可作为光源.该调制器可毗是电
光型,吸收型,反射型器件,或者是一个空间光调制器
（如白光电效应器件sEED）.
检测器通常由光电二极管或光电导体构成,并联
接到一个偏压,放大电路.由于一个节点至少有一个光
源,一个检测器,并有一定的计算处理能力,该节点可
作为一个”智能点实现,”智能点”是光电数字处理单
元的混合体,它具有三个空间上分开的功能单元:
一个
或多个光检测器,用以将光输入转换成电信号;一个处
理单元,处理所接收信号;还有一个单元用于将电输出
转换为光信号.
模型中的OIM器件从源平面上接收到图象,产生
M幅图象,这M幅图象同时落在另一个接受平面上,
在接受平面上的落点由所需的互连模式决定.由于希
望系统是空间不变的,所有的光源都有相同的连接模
式.OIM所确定的连结模式决定了互联网络的拓扑结
构.为了描述0IM的功能.定义术语”连接规则”为行
方向（上或下）或列方向（左或右）的空间移动,这种移动
用来实现所需的互联拓扑结构.因此,每一种网络的互
联规则包含两个条目:
行（row）和列（co1）.例如,一个互
联规则象（行（row）=土1,列（co1）一土1）表明为实现
这样一个给定的网络,每个平面要被映成4个象,每个
象如下进行移动:
对于行一+1,相应的象向上移一行;
同样,行一一1表明,象向下移动一行;列=+1表明象
向右移动一列,列一一1表明向左移动一列.在同一方
面上可能需要几种不同的移动,这用逗号表明.例如,一
个互联规则可写为:
行=士1,士3,列=土1,土3,这需
第13卷第1期电脑开发与应用
要产生8幅象.这些象根据所指明的位置进行偏移,经
过偏移的象同时落在接收面,便可实现所需的连接.
应注意到OIM的多重象产生和空间偏移功能可
以使用光线劈分器件或扇出元件（如光衍射器件）实
现.光偏移的数量取决于发送光线的角度.偏移象落
在接收平面的落点,决定了由IOM实现的拓扑结构.
显然,在互联网络速度最快的拓扑结构是交叉结
构（Crossbar）,它使系统中从一个PE到另一个PE的
通讯仅用一步就可到达.
现在的并行计算机中两种最流行的点到点互联网
络是2元H—Cube（亦称超立方结构）以及网孔互联网
络.在一个2元一Cube（指的是2元—Cube的维
数）,相应于维度有2个结点,这里的每个结点的
“度”是指直接连于其上的节点个数.超立方结构的吸
引人之处在于它的”直径”（“直径”是指在任定两个结
点之间传递消息所需的最大跳数）较小,对于一个2元
一
Cube网络来说,直径就等于节点的”度”数.在2元
一
Cube中每个节点以这样的方式进行编号:
一个节
点和与相邻的个邻居间只有一位二进制数位的不
同.这一特性使在网络中寻径变得方便.而且,这种规
整,对称的网络结构具有容错性.
第二种被广泛研究的互联网是网孔网络.网孔网
络具有连结简单规整且单个结点的连接数量较多,易
于实现等优点.由于结点的度固定,因而与超立方网相
比,网络网更具有可扩展性.
空
AhmedLouri等人提出的空间不变光互连模型,
在具体实现中采用光衍射技术,使用所谓的二相光栅
（BinaryPhaseGrating）实现.
二相光栅（BPG）是衍射光栅一种,之所以称为二
元是因为调幅度送出仅有两级70或1.由于衍射,发
射到二相光栅上的光线从光栅出来后4,21.（另外还有一个光栅,与图中的光栅线成90
度,在本图中未画出）.由于连接方式是完全空间不变
的,单一衍射方式便可提供所有连接.根据5一Cube
的连接规则,我们需要一束直的光线和8束偏移的衍
射光线.由于该图仅为2维侧视图,只画出了直的和4
束衍射光线,第0号光线代表节点5到节点4的通讯,
1号相应于节点5到节点21,一1号相应于节点5到
节点1.士3号光线落在PlaneR之外,被忽略了.
3用空间不变光互连模型实现5
Cube的算法
目前,可以用多种方法实现5一Cube互联网.其
中最有前途的是用空问不变光互连模型实现.下面介
绍其算法如下:
步骤1:
给定一个空间不变的一1一Cube的左平
面PlaneL和右平面PlaneR,根据是奇或偶,在为
n--A
偶数时,将每个平面向左转动如下列数:
足（）一2.,
当为奇数时,将每个平面向上转动如下行数:
R,）
一
2.
步骤2:
若为偶数,则旋转后的平面被置于原
一
1）一Cube中相对的平面的右侧;若为奇数,则被置
于下侧.在旋转过程中,（一1）一Cube平面上已存在
的空行,空列不记在内.
我们在两个平面（原平面和旋转所得平面）之问插
入如下数量的空行或空列:
当n为偶数时:
）
一
2+∑et（2i+4）;当为奇数时,￡r）一2孚l二
+（2i+5）￡u一.被定义为0,须注意到插入位
?
8?
（总lo）光互连技术的探讨2000年
（上接第4页）
EndSub
FunctionImageType（strFileNameAs
String）AsString
返回文件的扩展名
OnErrorGoTolmageTypeErr
DimintPointAsInteger
DimstrFileTypeAsString
intPoint=InStr（strFⅡeName,”.）
寻找圆点.
IfintPoint=0Then
strFileType=
Else
strF’fleType=/did（strFile
NalTl~,intPoint+1,3）
ErIdH
ImageType=UCase（strFileType）
ExitFunction
ImageTypeErr:
MsgBoxError$,16
ImageType=
EndFunction
SublmageUpdate（）
更新修改后的图象信息
onErrorGoToIrrmgeUpdateErr
DimstrFindAsString
strFind=Title&TxtTme&
Data].Refresh
~
ExitSub
ImageUpdateErr:
MsgBoxError$,16
EndSub
PrivateSubCmdBm—Click（IndexAs
Integer）
执行用户选择的功能
sekCtCaseIndex
Case0更新
ImageUpdate
Case1增加
ImageAdd
Case2删除
ImageRemove
Case3复制
ImageCopy
Case4存盘
ImageBave
Case5退出
UrdoadMe
EndSelect
EndSub
PrivateSubFormLoad（）
OnErrorGoToFormLoadEff
初始化
TxtTitle=
LblFileName一
LblType:
”
TxtDescription=
一Title”设
置DataField属性
=File
Name
=FileType”
一”
flCl”iption
Imglten~DataField=.Image”
:
&”“~打开数据库
Source=Images
ExitSub
FormLoadErr!
MsgBoxError$,16
EndSub
参考文献
.
ImideViSlla1BasicforWindows.
.
2顾铁成译.VisualBasic4用户使用
指南.北京t科学出版社,1996
升级会员 