低功耗光片上网络的研究

作     者：王小鹭 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾华玺

授予年度：2017年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：光片上网络 能耗模型 网络架构 光能源系统 激光源 

摘      要：随着片上系统的处理核心数目的增加,核间数据传输所需的带宽越来越大。因此,核间通信需要更高效的互连网络来支撑。相较于传统电互连方式,光互连可以实现更高数量级的通信带宽,并且其链路功耗几乎不随数据传输速率的增加而增加。因此,光互连成为片上通信系统最具前景的互连技术之一。然而,驱动硅光链路需要激光源不断向波导中注入光波,在传统的光能源供给系统中,注入的光能量不能被高效地利用于数据通信,从而造成了大量的光功率被浪费。本文对目前光能源供给系统的研究背景与研究现状进行了总结,给出了一种光片上网络的光能耗模型,并从全局通信流量预测和光功率分组供给的角度提出了两种低功耗的光能源供给系统,主要取得了以下的研究成果:1.激光源静态供给光能源的方式会消耗大量的功耗,而这些能量由难以被充分利用。我们提出了一种基于单写多读crossbar架构激光源功率动态管理策略。通过不断监测网络中总体的通信需求,我们建立预测模型,对未来某时隙的网络总流量进行预测,并将激光源的输入功率动态地增加或减少到某一合理的水平。这样,在保证网络的通信需求得到满足的条件下,激光源功率的浪费得到了尽可能地降低。仿真结果显示,对于不同的合成流量,该激光源功率管理策略在低流量负载情形下可以大幅减少激光源的输出功率;对于流量稀疏的x.264应用,激光源的功耗可以减少约90%。2.众核处理器的流量分布往往是不均匀的,而传统激光源功率供给方式让所有具有不同通信需求的节点获得相同的传输能力。这种带宽资源的不合理分配导致了激光源光功率的浪费。针对此问题,我们基于单写多读crossbar和改进的多写单读crossbar,提出了一种可以配置成不同分组模式的光功率传递供给架构,按各组节点的通信需求分别供给光功率。另外,我们设计了基于片上激光源的光功率分配架构,使得不同分组中的节点可以获得接近其实际所需的波长数目,从而均衡带宽资源的分配。仿真分析表明,该激光源功率供给策略在一定条件下最多可以减少约41%激光源静态功耗。