片上光网络

片上光网络（Optical Network-on-Chip，简称ONoC）是一种针对MPSoC（多处理器系统芯片）的新型片上网络。传统的片上网络利用电子信号来传递资料，因此称为电子片上网络（ENoC），其效能和和效率会受到芯片中金属线远少于晶体管的数量差异所限制。在许多通讯领域中，光学通讯已成功的取代了电气通讯。随着光子学技术的进展，在片上光网络上已有许多相关的研究在进行。

简介片上光网络（Optical Network-on-Chip，简称ONoC）是一种针对MPSoC（多处理器系统芯片）的新型片上网络。传统的片上网络利用电子信号来传递资料，因此称为电子片上网络（ENoC），其效能和和效率会受到芯片中金属线远少于晶体管的数量差异所限制。在许多通讯领域中，光学通讯已成功的取代了电气通讯。随着光子学技术的进展，在片上光网络上已有许多相关的研究在进行。

背景随着 CMOS 集成工艺进入到纳米时代，基于共享总线结构已经无法满足片上系统 SoC( System-on-Chip，简称 SoC)系统的需要，因此有人提 出用片上网络( Network-on- Chip ，简称 NoC)解决网络间通信问题。其目的是将计算机网络技术移植到芯片设计中来，从体系结构上彻底解决总线 架构带来的问题。目前随着电路集成度和工作频率的提高，芯片上互连线的寄生效应如寄生电容、 延迟时间、信号串扰等问题变得十分显著。在功耗受限情况下，芯片的性能功耗比将会变得特别尖锐 。当集成电路工作频率迅速提高至几 GHz 甚至更高时，常规电互连将无法高效地传输信号。 因此，需要一种新的互连方式。光互连作为一种潜 在的互连方法，具有许多电介质不可比拟的优点。 光波在高速传递和处理时具有传输带宽高、信号间延迟低、光损耗低、抗干扰等优点。基于这种优势， 提出了片上光网络( Optical Network-on-Chip ， 简 称 ONoC)。 在传统的片上网络 N oC 中，报文传输、存储和 交换所产生的功耗是随着数据传输速率的增加而 成平方增长的。而在片上光网络中，当光链路建立 后，报文传输不再需要存储、中继等，其功耗非常 低。同时，在片上光网络 ON oC 中有一个很好的 性质—位速率透明性( Bit Rate Transparency) ，即 互连网络中的光开关的功耗和交换速率与所交换 的数据报文的位速率是无关的。这是因为，光开关 只有在进行状态切换的时候才会产生功耗，而一个 报文在正常传输的时候，在光开关上基本没有功耗 产生，光信号只是从光开关上经过。而光开关状态 的切换是在相邻报文间进行，因此在以光开关构成 的光互连网络中，功耗与报文的位速率是无关的。 目前基于硅基技术的发展基本趋于成熟，硅基 高速电光调制器 、硅基激光器和 SiGe 光电探测器等都取得了突破性进展。基于 CMOS 集成调 制器、激光器、光波导以及光电探测器的芯片间通 信技术已经被报道并且正被商业化。因此，在单 晶硅上用 VLSI 技术集成光器件(调制器、光波导、 探测器、光开关) 已经可行。 片上光网络 ONoC 最早提出于 2006 年，用于 解决片内和片间通信的功耗问题，是纳米级别 的光互连网络。目前，片上光网络 ONoC 的主要 研究集中在功耗、性能、延迟以及可靠性等领域。 由于目前无法进行光存储和光信息的处理，片上光 网络 ONoC 采用了光电混合的方式实现片内通 信。片上光网络 ONoC 的研究主要在基于总线技 术和网络结构技术方面。1

结构片上光网络 ONoC 的 Bus 结构是采用光总线进行全局的互连和采用电互连进行局部互连的混 合互连结构。混合互连结构首先在全局互连中，光 总线互连可以降低电互连中存在的延时问题; 其 次，在局部互连中采用电互连比采用光互连具有很 大的灵活性。混合互连网络结构可以极大地提高 片上网络的吞吐率、性能功耗比等等。

片上光网络 ONoC 的 Torus 结构是哥伦比亚 大学提出的一种光电混合网络，包含光互连网络和 电控制网络。同片上网络 NoC 一样，片上光网络 也是采用与之相同的术语，如节点、直径、路由算 法、流控机制等。在片上光网络中，光网络用来传 输光线路交换的长报文，电控制网络用来传输短报 文和电分组交换报文。这里混合网络结构既指线 路交换和分组交换的混合又指光和电技术的混合。 光互连技术在能耗和带宽方面有独特的优势，但是 不具有对报文的存储和处理的光设备; 而电片上网 络在功能和灵活性上具有很多优势，但片上网络的

功耗随着传输带宽的增加而成比例增长。因 此，片上光网络采用的混合结构使用两层网络: ( 1) 光互连网络，是由光波导连接光开关组合而成，用 来传输长报文; ( 2)电控制网络，其拓扑结构与光互 连网络完全一样，用来执行操作和传输控制报文。 每个光报文在传输前都加上一个电控制报文作为 其前导报文(路径建立报文) ，该报文在电控制网络 上进行传输和路由，为光报文的传输获取路径。在 光网络中缓存光报文是不可行的，因为目前没有相 关的光存储设备(如触发器、RAM 等)。因此，除 非必要，存储只发生在光路径建立阶段的电控制报 文。路径一旦被建立，光报文就立即被发送，在这 个过程中间不存在报文的缓存。这个阶段可以理 解为光线路交换: 本质上，建立的路径就是两个处 理器核之间的光路径，因而具有低功耗、低延时、高 带宽的通信。 采用光路径传输的主要优势在于光传输介质 的特性: 位速率透明性质。在基于 CMOS 工艺 的路由必须交换每一位传输的数据，其动态功耗与 传输的位速率成正比; 而光开关的开关是由每一个 报文来决定的，因此其动态功耗与传输数据的位速 率无关。这种属性使得片上光网络比片上网络具 有更低的功耗和更高的性能。 采用光网络进行通信的另一个优势在于: 低损 耗的光波导。在芯片级，光在光波导上传输的距离 与损耗无关，即光信号在片上传输 2mm 与传输 2cm 的损耗是一样的。2

发展方向最近，由于光电集成技术与三维( 3D)封装技 术能够完全融合以及 3D 片上网络可以极大地降 低网络资源利用率、传输延时等。因此，片上光网 络除了平面上的网络外，片上光网络也在向 3D 片上光网络发展。3D 片上网络使用多层硅片，每层 分别利用单独的工艺进行处理，最终进行堆叠粘接形成 3D 结构，通过硅过孔技术进行上下层之间通 信。 Sun 与 IBM 相继提出了 3D 片上光互连网络 技术。Sun 相关人员提出了到 2015 年，采用 新型 22nm 工艺技术，利用波分复用技术和多波长 交换技术，形成多层三维全光交换的片上网络。 Sun 命名这种片上多核芯片为 Macrochip。该芯 片采用基于波长调制的全光互连网络，其中核与核 之间用波导进行连接。IBM 也提出了 22nm 的 3D 多层光电混 合片上互 连网络。利用 硅过孔技术建立单层片上多核、多层存储器以及光互 连网络层的 3D片上网络，可以极大地降低和缓解 多核带来的网络通信压力，同时可以降低互联网络 的功耗。

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学