光互连技术的探讨.docx

1、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4oo4)【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|dimensionsu

2、percubealgorithmforopticalinterconnectionmodelisdealedwith.,ndimensionsupercube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.

3、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: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.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1OMHzlGHz,可见光的载波频率510”I-Iz,相比之下要高得多.利用光互连方式能够显着地降低”串音”发生. 利用光互连方式能够显着地降低外界电磁场的干扰.光互连方式下数据的传输速度与距离及同意负载无关.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

4、.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

5、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*19990920收到*韩德志,男,1

6、966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.

7、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(OpticalIxterconnectModule)位

8、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:更好地利用光映象系统中的空间带宽SBWP

9、;充分利用自由空间光的并行性;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;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

10、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

11、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

12、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HCube(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

13、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

14、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5Cube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

15、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

16、2000年(上接第4页)EndSubFunctionImageType(strFileNameAsString)AsString返回文件的扩展名OnErrorGoTolmageTypeErrDimintPointAsIntegerDimstrFileTypeAsStringintPoint=InStr(strFeName,”.)寻找圆点.IfintPoint=0ThenstrFileType=ElsestrFfleType=/did(strFileNalTl,intPoint+1,3)ErIdHImageType=UCase(strFileType)ExitFunctionImageTypeE

17、rr:MsgBoxError$,16ImageType=EndFunctionSublmageUpdate()更新修改后的图象信息onErrorGoToIrrmgeUpdateErrDimstrFindAsStringstrFind=Title&TxtTme&Data.RefreshExitSubImageUpdateErr:MsgBoxError$,16EndSubPrivateSubCmdBmClick(IndexAsInteger)执行用户选择的功能sekCtCaseIndexCase0更新ImageUpdateCase1增加ImageAddCase2删除ImageRem

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