[發明專利]波長-模式混合復用的片上光交換網絡架構及路由算法

有效

• 申請號: 202010468421.2
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111698583B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 郭鵬星;侯維剛;郭磊;孫巍
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04Q11/00
• 分類號: H04Q11/00;H04J14/02;H04J14/04
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

本發明請求保護一種基于波長?模式混合復用的片上光交換網絡架構及路由算法，來解決現有片上光交換網絡中交換規模及容量受限的問題。該架構采用片上波長?模式混合復用技術來提高網絡的交換能力。首先，利用微環諧振器設計了片上波長分配模塊、模式選擇和復用模塊以實現任意波長、模式之間的分配與復用。之后，設計了波長模式混合復用的2×2光交換模塊，并將這些模塊以無阻塞的Benes拓撲進行級聯形成一種可擴展的片上光交換網絡架構。最后，為保證各處理器核的數據能夠在所發明的架構中高效有序的互連，提出適合該架構的路由策略。本發明有望實現大規模的片上光交換網絡，以應對即將到來的千核系統的挑戰。

技術領域

本發明屬于數據交換領域，具體涉及一種基于波長和模式混合復用的可擴展的片上光交換網絡架構技術。

背景技術

大數據時代對海量數據的傳輸和處理能力提出了巨大的挑戰。以并行處理為主的多核處理器架構其作為一種有效地解決方案被廣泛應用于許多重要領域來緩解數據的壓力，如生物醫學、航空航天、天氣預報和國防安全。尤其在新冠病毒防控期間，利用高性能計算進行病毒基因測序、感染人員流動監測、疫情實時報告等，以及為疫苗研發和跟蹤掌握疫情動態提供了有效技術支撐。然而，目前以多核并行計算為主導的高性能計算系統的發展不僅受到單核處理能力的限制，也受到不同核之間數據交換能力的限制。在向百億億次(E級)計算演進過程中，并行處理的核數將大幅度增加。根據許多研究和行業專家的預測，千核及以上的互連系統將在未來2-3年內實現。因此，能夠支持千核之間高帶寬、低功耗通信的交換網絡架構的設計顯得尤為重要。

傳統的基于銅線電交換網絡存在著帶寬有限、高時延、高能耗等一系列問題。新興的硅基光子集成解決方案不僅可以克服商業電子開關設備的瓶頸，而且可以提高開關容量和功耗性能。目前，片上核間光交換網絡主要以波長域為主，利用波分復用(Wavelength-Division-Multiplexing,WDM)技術使單波導通道中同時傳輸多個波長的信號，有效地提升單通道帶寬。但這種方法資源維度比較單一，由于通道數量和系統復雜度的限制，難以大規模擴展。因此，只采用波分復用的方法也將難以滿足數千個處理器核之間數據交換的需求。

發明內容

本發明旨在解決以上現有技術的問題。提出了一種基于波長-模式混合復用的片上光交換網絡架構。將片上多核交換網絡中的復用維度從波長域擴展到空間域，引入模式復用技術(Mode-Division-Multiplexing,MDM)。重點研究基于波長-模式混合復用的片上光交換網絡架構。通過對波長分配模塊、模式選擇/復用模塊、基于波長和模式混合復用的基本交換單元，大規模可擴展的網絡架構及通信策略等方面的設計來充分挖掘光的并行傳輸的潛能，有望并實現千核系統中任意處理器核之間的數據交換，有效提升片上交換網絡的帶寬和規模。

本發明的技術方案如下：

一種波長-模式混合復用的片上光交換網絡架構，其包括：發送模塊、接收模塊和交換模塊，所述發送模塊包括基于微環諧振器的波長分配模塊和模式選擇/復用模塊，基于微環諧振器的波長分配模塊用于實現對每個節點所工作的波長進行分配，模式選擇/復用模塊用于實現對輸入信號進行不同模式的選擇及復用，所述光交換模塊基于Benes拓撲用于大規模無阻塞交換功能，所述接收模塊由模式解復用器和微環濾波器組成，模式解復用器用于將不同的模式解復用為基模信號，和微環濾波器用于實現對不同波長信號的選擇。部署支持W個波長、M個模式、和N×N的Benes拓撲，該網絡架構就可以支持W×M×N個處理器核的數據通信；所述發送模塊不僅用于波長和模式復用用來提升帶寬，而且還用于不同模式之間的選擇和轉換，實現所有的處理器核任意的波長及模式分配，可以根據通信需求，將波長和模式分配給不同的處理器核，提升交換網絡規模。