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光互连数据中心网络架构与业务路由技术研究

光通信研究 2023年

作者：王金涛刘逢清南京邮电大学电子与光学工程学院柔性电子(未来技术)学院

目前已提出的数据中心光互连网络结构中，大多将光网络用于交换机之间的机架间通信，而机架内服务器之间的通信通过电以太网交换机实现。由于电以太网交换机功率较大且数量众多，所以目前所提出的数据中心光互连网络存在能耗高、带宽低... 详细信息

目前已提出的数据中心光互连网络结构中，大多将光网络用于交换机之间的机架间通信，而机架内服务器之间的通信通过电以太网交换机实现。由于电以太网交换机功率较大且数量众多，所以目前所提出的数据中心光互连网络存在能耗高、带宽低、分组时延大等问题。【目的】为了进一步改善数据中心光互连网络的性能，本文提出了一种基于可重排无阻塞三级Clos网络的机架内光互连网络结构。【方法】在该结构中，机架内的服务器通过一个三级Clos网络实现相互连接，同时结合所提的多波长路由算法可以实现机架内服务器间的无阻塞通信。【结果】本文使用OMNET++ 软件进行仿真验证，仿真结果显示，所提出的结构的吞吐量在同等条件下比传统的机架内电交换提高20%，端到端平均时延减少90%，能耗减少67%。【结论】通过仿真对比可知，所提出的结构可以改善数据中心光互连网络的带宽利用、分组时延及能耗等性能。

关键词：光互连数据中心网络架内通信多级交换波长路由

板级光互连模块BGA焊点温振耦合应力应变有限元分析

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机械强度 2018年第4期40卷 938-942页

作者：华建威黄春跃梁颖黄伟张龙桂林电子科技大学机电工程学院桂林541004 成都航空职业技术学院电子工程系成都610021

基于Ansys软件建立了板级光互连模块有限元模型,并对模型进行了温振耦合加载分析,获取了耦合条件下应力应变的数据,分析了焊点高度、焊盘直径和焊球体积三种焊点形态参数的变化对焊点应力应变的影响。结果表明:焊点阵列内应力应变由中... 详细信息

基于Ansys软件建立了板级光互连模块有限元模型,并对模型进行了温振耦合加载分析,获取了耦合条件下应力应变的数据,分析了焊点高度、焊盘直径和焊球体积三种焊点形态参数的变化对焊点应力应变的影响。结果表明:焊点阵列内应力应变由中间位置处焊点向两端边角处焊点逐渐增大;最大应力应变出现于焊点阵列边角处的焊点上;随着焊点高度的增加,焊点阵列的最大应力应变逐渐增大,随着焊盘直径增大和焊球体积的增加,最大应力应变逐渐减小。

关键词：光互连温振耦合分析焊点阵列应力应变有限元分析

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光互连中一种基于基本条纹衍射的全息图生成方法

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南京理工大学学报 2008年第5期32卷 604-608页

作者：柴晓冬鲁嘉华上海工程技术大学轨道交通学院上海201620

该文以光互连中探测平面(像平面)的多光点分布为例,提出一种无傅里叶变换透镜的光互连方法。该方法采用面向衍射的基本条纹生成方法,用小波变换法计算光栅的基本条纹,给出了条纹函数和物理上可用的条纹模式,最后用该条纹实现了水平方向... 详细信息

该文以光互连中探测平面(像平面)的多光点分布为例,提出一种无傅里叶变换透镜的光互连方法。该方法采用面向衍射的基本条纹生成方法,用小波变换法计算光栅的基本条纹,给出了条纹函数和物理上可用的条纹模式,最后用该条纹实现了水平方向的一对多点的光互连。在该方法中每一基本条纹的空间频率是特定的,因而衍射角是确定的,为光互连的精确定位提供了条件。

关键词：小波变换基本条纹光互连全息图

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面向分布式计算的光互连节点设计与实现

面向分布式计算的光互连节点设计与实现

作者：杨深圳北京邮电大学

学位级别：硕士

移动互联网和人工智能的发展,5G时代下大规模新型应用的提出,使得数据中心(DC)的计算规模和网络流量急剧增长。分布式计算应用的发展使得数据中心内流量的通信模式也变得多种多样,分布式计算对网络的连接结构也提出了新的需求。传统的... 详细信息

移动互联网和人工智能的发展,5G时代下大规模新型应用的提出,使得数据中心(DC)的计算规模和网络流量急剧增长。分布式计算应用的发展使得数据中心内流量的通信模式也变得多种多样,分布式计算对网络的连接结构也提出了新的需求。传统的网络越来越无法支撑新的数据密集型的应用,分散光网络和资源分散网络作为新型光互连网络受到关注,而这些新型光互连网络要求现有网络结构和节点的功能变得开放,本文针对开放的互连网络以及资源分散网络所带来的新的挑战,设计并实现了面向分布式计算的分散网络光互连节点。分散化网络互连节点具有开放可控得系统功能,主要包括数据层面上的流信息统计,发送通道选择以及光分组汇聚等功能,控制层面上的节点内流信息和各功能模组状态上报,并根据上层控制系统的指令对节点内的参数结构配置更改以及节点互连的光交换矩阵连接进行配置。本文采用高速FPGA实现了上述节点的功能逻辑,并搭建互连网络实验平台对节点的功能进行验证。另外,基于该光互连节点,提出了利用流相关性的网络故障定位和恢复功能,讨论了基于流的相关性进行流分类的网络路径信息发现与提取,并通过SDN控制器实现了网络故障的定位与恢复,通过搭建实验平台,对该功能进行了不同类型故障场景下的实验与验证。最后,分析了资源分散化数据中心网络(DDC)的网络模型与资源结构,讨论了不同计算作业在不同的DDC模型结构下的内存通信量与网络通信量的关系,基于FPGA平台对资源分散网络节点中的流量进行了模拟,针对资源分散网络中的流量排队与调度问题,评估了优先级方式、带宽预留以及轮询三种常见的调度方式对资源分散网络流量负载传输性能的影响。

关键词：分布式计算光互连故障恢复调度

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光互连基本器件性能研究

光互连基本器件性能研究

作者：眭程乐上海交通大学

学位级别：硕士

随着现代通信中的传输速率不断提高，电互连逐渐成为通信容量提升的瓶颈。而基于CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺的片上光互连系统能够在有限可接受的功耗范围内为多核之间的并行运算以及快速光交换带来革命性的... 详细信息

随着现代通信中的传输速率不断提高，电互连逐渐成为通信容量提升的瓶颈。而基于CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺的片上光互连系统能够在有限可接受的功耗范围内为多核之间的并行运算以及快速光交换带来革命性的变化，因此近年来片上光互连系统得到广泛研究。本文围绕光互连系统分别从系统和器件两方面进行讨论。前者主要从系统角度分析仿真器件的基本性能，为后面研究器件表面粗糙效应奠定基础。而表面粗糙效应分析使得前面的系统角度分析更加全面而深入。 1.在系统方面，研究人员对硅基光互连器件在芯片内全局互连和片上光网络内的应用还没有进行较为全面的研究，所以从系统角度分析光互连器件具有较大的现实意义。对此，我们做了如下工作：根据项目需要，对光互连硅光子基本器件进行性能分析。然后用FDTD（finite difference time domain） solution和MODEANALYSIS工具对不同类型的波导、微环谐振器和微盘谐振器在不同场合的应用进行了仿真，得到了这些器件的FSR、Q值、损耗、3dB带宽等参数。这些工作为下一步的系统分析提供了基础。 2.在器件方面，随着器件尺寸越来越小以及高折射率误差（HIC）工艺的广泛应用，器件的表面粗糙对器件的性能影响变得越来越突出，因此有必要对其进行全面深入的研究。我们的工作有: （1）提出了一种基于小波分解的微盘谐振器表面粗糙效应分析方法。首次将小波分解引入微盘谐振器表面粗糙效应分析，该方法可以独立分析器件表面粗糙起伏程度及起伏的一阶导数对Q值的影响。分析和仿真结果表明：在多数情况下，表面粗糙起伏的一阶导数是表面粗糙影响微盘谐振器Q值的主要因素。（2）从统计学的角度讨论了波导粗糙表面的逼近方式。首先，建立了波导粗糙表面的数学统计模型，证明了波导表面起伏引起的后向反射场是一个鞅。接下来根据随机变量收敛的相关理论，分析了对波导粗糙表面起伏的逼近方式。分析表明，目前广泛使用的微元法可以有效分析粗糙表面对光波的二次特征（功率、Q值、3dB带宽等）的影响。但是在相干光通信中，如果我们需要分析粗糙表面对一次光信号特征（如光相位）的影响，这时微元法失效。

关键词：光互连微环谐振器微盘谐振器表面粗糙效应小波分解鞅

人工智能时代的关键:短距离光互连核心光电芯片的国产化攻坚

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科技纵览 2024年第3期 68-71页

作者：佟存柱田思聪中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

短距离高速光互连光电芯片及模块技术是数据中心、超级计算中心发展的关键。当前,全球数据量激增,网络算力和信息传输速率需求强劲,这对光互连技术在高速率、低能耗等方面提出了更高要求;同时,我国在核心的互连光芯片、电芯片方面还严... 详细信息

短距离高速光互连光电芯片及模块技术是数据中心、超级计算中心发展的关键。当前,全球数据量激增,网络算力和信息传输速率需求强劲,这对光互连技术在高速率、低能耗等方面提出了更高要求;同时,我国在核心的互连光芯片、电芯片方面还严重依赖于进口。对此,在国家重点研发计划项目的支持下,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所存柱研究员牵头组建的创新研究团队将目标锁定在短距离光互连应用关键芯片、器件国产化关键技术攻关等方面,突破了25Gb/s 850nm垂直腔面发射激光器芯片、探测器芯片、发射和接收集成电路芯片国产化技术,实现进口芯片的批量化替代,打破了我国该类芯片长期依赖进口的困境,成功研制了低功耗(小于1W)的100Gb/s国产化光模块,并在数据中心实现示范应用。

关键词：超级计算中心数据中心光互连集成电路芯片信息传输速率垂直腔面发射激光器国产化技术国家重点研发计划

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12路并行光互连子系统研究

高技术通讯 2011年第7期21卷 739-742页

作者：陈雄斌杨宇刘博陈弘达中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室北京100083

针对高速芯片间光互连的应用，利用垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵作为光源、PIN列阵作为探测器，采用并行光传输的方式，设计了高密度的12路高速信号的光互连子系统，并利用12芯标准多模光纤带进行了1m距离内的光传输试验测试。测试... 详细信息

针对高速芯片间光互连的应用，利用垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵作为光源、PIN列阵作为探测器，采用并行光传输的方式，设计了高密度的12路高速信号的光互连子系统，并利用12芯标准多模光纤带进行了1m距离内的光传输试验测试。测试结果表明，在零误码率的条件下系统单路速率大于6Gb／s，接收端信号的上升时间（F1）为91ps，完整抖动（Tj）为75．6ps。

关键词：光互连垂直腔面发射激光器(VCSEL) 芯片间并行传输

面向下一代光互连的多电平调制方法和系统测试技术研究

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面向下一代光互连的多电平调制方法和系统测试技术研究

作者：徐建锋上海交通大学

学位级别：硕士

相比于电互连,光互连具有高带宽、低功耗、低延时、低传输损耗、无电磁干扰、可并行传输等优点,能很好地解决现有网络系统中电互连存在的问题,也是克服目前数据中心带宽限制的最佳手段。多电平调制技术被认为是400G光互连最具应用前景... 详细信息

相比于电互连,光互连具有高带宽、低功耗、低延时、低传输损耗、无电磁干扰、可并行传输等优点,能很好地解决现有网络系统中电互连存在的问题,也是克服目前数据中心带宽限制的最佳手段。多电平调制技术被认为是400G光互连最具应用前景的实现方案,正在被深入探究和产业化。高清流媒体、移动互联网和云计算等大力发展和普及更是为光互连及其应用提供了前景广阔的市场。多电平调制方法和系统测试技术的相关研究,具有重要的学术研究价值和应用前景。本课题基于双驱马赫曾德尔调制器,以更具应用价值的实现方式来提高PAM4信号质量及其传输速率/距离作为研究目的,构建了一套PAM4光合成的方案,并进行了理论仿真和实验研究。利用双驱马赫曾德尔调制器的调制特性,在光域实现了最大幅度的完全线性调制,该系统不仅降低了成本和功耗,免受电带宽限制,而且以更简单的方式获得了更好的调制和传输性能,为多电平调制方法的研究提供了一种可行的解决方案和研究思路。在系统测试技术研究的基础上,开发了两套光互连自动测试系统,用于提高流水线效率和工艺良品率。本研究在调制器传输函数的纵轴上优化线性度和幅度,经输入信号幅度和偏置控制后,实现编码和解码。从PAM4光信号质量的角度,该方案相比于与电合成方案具有更清晰的眼图,并在眼高、眼宽、抖动和线性度等指标上有更好的效果。实验进一步验证了信号质量在传输系统中的优势,取得了1dB接收机灵敏度的提升。在双驱马赫曾德尔调制器结构上进行了扩展和创新,实现了PAM8线性调制和解调。

关键词：光互连双驱马赫曾德尔调制器 PAM4 PAM8 测试系统

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基于HT的光互连接口的设计

高技术通讯 2015年第12期25卷 1005-1010页

作者：梁华岳胡伟武计算机体系结构国家重点实验室中国科学院计算技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 龙芯中科技术有限公司北京100190

设计了一种应用于处理器光互连的光接口。该接口基于超传输(HT)协议设计,用光通路替代电通路实现处理器光互连。光接口用原HT接口逻辑结构,替换原来的输入输出电路的模拟电路部分,增加新的电路结构和光互连通路。该接口为互连接口是源... 详细信息

设计了一种应用于处理器光互连的光接口。该接口基于超传输(HT)协议设计,用光通路替代电通路实现处理器光互连。光接口用原HT接口逻辑结构,替换原来的输入输出电路的模拟电路部分,增加新的电路结构和光互连通路。该接口为互连接口是源同步结构的处理器应用光互连提供了一种通用的解决方案。整个互连结构兼顾电协议和光信号传输的特点,最大限度保留原接口的工作特点,同时发挥光信号的优势,以最小的代价和较高的效率实现处理器光互连。光接口处于互连的物理层,不需要修改HT接口的应用层,对处理器结构没有影响。

关键词： HT光接口光互连片外互连数据转换

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