CN107220209B - 基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器，解决了现有技术存在的垂直方向阻塞严重、TSV分布不均匀、高阶光路由器***损耗大的技术问题。网络架构共七层，顶层为光网络层，集成有N×N个新型九端口光路由器；底层为纯电层，集成有N×N个五端口电路由器；中间五层每层集成有N×N×4个IP核，中间层中最上层为基准，其余四层分别沿四个对角线方向错位，形成层错机制；所述光路由器提供中间层间高阶光互连，IP核间通信分为节点内部、层内节点间和层间通信，节点内部和层内通信通过中间层光网络，层间通信通过顶层光网络或底层电路由器实现。本发明解决了传统的3D光片上网络中垂直方向阻塞严重问题，处理器核间高效通信。

Description

基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及三维光片上网络架构及通信，具体是一种基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器，用于多处理器芯片中的处理器的互连及通信。

背景技术

高性能计算时代的到来，对处理器芯片的性能提出了越来越高的要求，未来的多核处理器要求片上网络在提供高带宽低时延的同时尽可能降低网络能耗。但随着集成电路特征尺寸的持续缩小和时钟频率的迅速提高，传统的电互连片上网络中的金属互连线面临着带宽受限，时延大，面积大，能耗大等诸多挑战。得益于纳米硅光技术的快速发展，光片上网络中的光波导和光设备能够在消耗很低功率的同时提供很高的带宽。根据国际半导体技术发展蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductor)预测：利用光进行互连的方式是单芯片多核互连技术的发展趋势。

除了纳米光子技术，3D集成技术是克服片上网络性能屏障的另一个有效解决方案。传统的2D片上网络由于只有一个通信层，所有处理器核之间的通信需在相同平面内进行，故而资源竞争激烈，传输时延大；而3D片上网络通过增加第三维度的互连，可以有效降低传输时延，提高集成密度。3D光片上网络，集3D集成技术和光互连技术的优势于一身，成为当下解决片上网络性能问题的热门方案。对于一个N层的网络而言，不同层之间的通信占据了总通信流量的(N-1)/N。此时，传统的低阶垂直互连机制不能提供足够的垂直链路带宽，并极易导致严重的阻塞问题；相比之下，层间高阶互连机制可以有效避免阻塞问题从而更充分地利用3D网络的高带宽优势。但目前缺乏合理的垂直互连线布局方式以及高性能的光路由器来支持层间的高阶互连机制。

现有使用层间的高阶互连机制的光片上网络所采用的布局方式会导致垂直互连线分布的不均匀性，进而破坏网络的规则性，限制网络拓展性；还会导致严重的散热问题。此外，现有的高阶光路由器***损耗较大，导致了网络能耗的增大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的层间高阶互连机制下垂直互连线分布的不均匀问题提供一种基于层错机制的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器。

本发明是一种基于层错机制的三维光片上网络架构，将多个分布有IP核的通信层通过3D集成技术集成在单一芯片中，并通过垂直互连线连接各层，实现层间的通信，其特征在于，网络架构包括七层，最顶部一层为光网络层，该层共包含了通过mesh网络进行互连的N个节点，N代表mesh网络的维数，为一正整数，每个节点包括一个调制器、一个探测器，以及一个新型九端口无阻塞光路由器；底部一层为集成有若干相互独立的五端口电路由器的电层，其中的电路由器同样采用mesh拓扑进行排布；其余五层为中间层，每层包括一个光通信网络，一个与之重叠的电控制网络以及N×N×4个采用Cmesh拓扑结构进行互连的IP核；中间层中每个节点设置有一个十端口电路由器、一个改进型九端口光路由器以及四个IP核，该电路由器的端口包括构建Cmesh网络的八个端口和连接垂直互连线的上、下端口，改进型九端口光路由器包括构建Cmesh网络的八个端口和下端口，其内部结构和新型九端口光路由器相同，每个十端口电路由器的上、下端口各链接有一根硅穿孔(TSV)用于实现层间互连，网络中所有的IP核及路由器使用(x,y,z,m)坐标系，x,y,z含义同笛卡尔三维坐标系，其中0≤x,y≤(N-1)，0≤z≤6，对于所有的路由器m置为0，对于中间层中的IP核，m正方向为节点内顺时针方向，1≤m≤4，且每一中间层中，光网络和电网络内相同位置的光/电路由器共用同一组坐标信息，每个中间层中坐标信息为x＝x₀,y＝y₀的节点内的电路由器通过两根TSV分别连接至顶层和底层中坐标信息为x＝x₀,y＝y₀节点处的新型九端口光路由器和五端口电路由器，实现高效的层间高阶互连。

本发明还是一种用于基于层错机制的三维光片上网络架构的新型九端口无阻塞光路由器，简称为九端口光路由器，其特征在于，包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口分别用于连接当前九端口光路由器的南侧，北侧，西侧，东侧的九端口光路由器；其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5分别用于通过光/电接口、电/光接口和TSV连接五个中间层中的电路由器，由于网络使用OXY路由算法，该光路由器中不存在南/北向端口至东/西向端口间的光通路。

本发明还是一种基于层错机制的3D光片上网络的通信方法，其特征在于，包括两种通信类型：1.层间通信，2.层内通信，其中，层内通信包括1.1节点内通信和1.2节点间通信；层间通信则可分为2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信，以及2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，为保证各层网络中负载的均衡，实现资源利用率的最大化，在均匀流量模型下，使用2.1和2.2两种通信方式的流量比例为5:19。

基于层错机制的三维光片上网络架构方案、通信方法及路由器结构，可用于解决三维光片上网络在垂直方向通信中的严重阻塞问题以及垂直互连线分布不均问题，本发明实现了网络节点之间的高效通信，有良好的可拓展性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是

(1)本发明使用了层间高阶互连机制，克服了现有光片上网络由于采用低阶线路构成的垂直互连方式而导致的网络阻塞较大，链路利用率较低等问题；通过使用层错机制，各个集成有IP核的中间层在垂直方向上投影不重合，但每个中间层的布局完全相同，有效避免了使用层间高阶互连机制的三维光片上网络所面临的垂直互连线分布不均匀，网络规则性被破坏，网络散热不均匀等问题。

(2)本发明使用了新型九端口无阻塞光路由器，将光波导置于上下两个平面中，利用了层间微环谐振器，在实现两个平面中光信号的耦合的同时，不引入波导交叉损耗，相较于现有的9端口光crossbar,可明显降低平均***损耗，进而有效控制网络的整体能耗。

(3)本发明针对性地使用了三种通信方法，分别用于实现节点内部，层内不同节点间，以及层间的通信，通过省略层间通信中垂直方向的链路建立过程，可有效降低现有的基于电路交换的3D光片上网络在垂直方向上的链路建立时延。

附图说明

图1本发明基于层错机制的三维光片上网络架构三维结构示意图；

图2本发明基于层错机制的三维光片上网络架构顶层拓扑结构示意图；

图3本发明基于层错机制的三维光片上网络架构中间层拓扑结构示意图；

图4本发明基于层错机制的三维光片上网络垂直互连方式示意图；

图5本发明新型九端口无阻塞光路由器结构示意图；

图6本发明新型九端口无阻塞光路由器中两种交换单元结构示意图，其中图6(a)为1×2层内基本交换单元结构示意图，图6(b)为1×2层间基本交换单元结构示意图；

图7本发明架构中间层节点内部详细结构示意图；

图8本发明通信方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明详细说明。

实施例1

现有的使用低阶垂直互连线路的3D光片上网络不能充分地利用3D网络的高带宽优势，易导致垂直方向的阻塞问题，而现有的使用层间高阶互连机制的3D光片上网络所采用的布局方式会导致垂直互连线分布的不均匀性，进而破坏网络的规则性，限制网络拓展性；还会导致严重的散热问题；此外，现有的实现层间高阶互连的高阶光路由器***损耗较大，极易导致网络能耗的增大。

针对上述技术问题，本发明展开了创新与研究，提出一种基于层错的三维光片上网络架构，参见附图1，本发明基于层错的三维光片上网络架构包括七个通信层，最顶部一层110为光网络层，参见附图2。该层共包含了通过mesh网络进行互连的N个节点111，N代表mesh网络的维数，为一正整数。每个节点包括一个调制器、一个探测器，以及一个新型九端口无阻塞光路由器；架构底部一层为集成有若干相互独立的五端口电路由器的有源电层120，该层中各电路由器之间没有互连线，且所有的电路由器同样采用mesh拓扑进行排布；架构其余五层为中间层130，参见附图3，每层均包括一个光通信网络，一个与之重叠的电控制网络以及N×N×4个采用Cmesh拓扑结构进行互连的IP核131；参见附图7，架构中间层中每个节点设置有一个十端口电路由器172、一个改进型九端口光路由器以171及四个IP核173，该十端口电路由器的端口包括构建Cmesh网络的八个端口和连接有垂直互连线--硅穿孔(TSV)174的上、下端口；改进型九端口光路由器包括构建Cmesh网络的八个端口176和下端口177，共九个端口，图7右上角部分显示的即为改进型九端口光路由器的连接方式及端口，改进型九端口光路由器内部结构和新型九端口光路由器相同，每个十端口电路由器的上、下端口各分配有两根TSV用于实现层间互连。网络的使用规模为4·N²·5，每个中间层中IP核个数为4·N²。N的具体取值取决于网络的使用规模，如若单个芯片中需集成720个IP核则取N＝6，本例中取N＝5。

基于层错机制的3D网络构建方式可以在保证各层布局一致的前提下实现层间高阶互连，低***损耗的9×9光路由器可以实现层间的高效通信。

实施例2

基于层错的三维光片上网络架构同实施例1，网络中所有的IP核及路由器使用(x,y,z,m)坐标系，x,y,z含义同笛卡尔三维坐标系，其中0≤x,y≤(N-1)，0≤z≤6，对于所有的路由器m置为0，对于中间层中的IP核，m正方向为节点内顺时针方向，1≤m≤4，且每一中间层中，光网络和电网络内相同位置的光/电路由器共用同一组坐标信息，参照附图4,每个中间层中坐标信息为x＝x₀,y＝y₀的节点内的电路由器132通过其上、下端口和相应的两根TSV分别连接至顶层和底层中坐标信息为x＝x₀,y＝y₀节点处的新型九端口光路由器111和五端口电路由器121，实现高效的层间高阶互连。

各中间层采用完全相同的拓扑和布局，垂直方向投影不重合；以中间层中的最上层为基准，其余四个中间层分别沿m＝1方向，m＝2方向，m＝3方向，m＝4方向平移IP核与电路由器互连线的长度，使得各中间层中用于实现层间高阶互连的TSV的交错且均匀分布，形成层错结构。本发明的层错结构有效避免了现有的3D光片上网络中，由于使用垂直方向高阶互连机制导致的TSV分布不均的问题。

实施例3

本发明还是一种新型九端口无阻塞光路由器，简称为九端口光路由器，是专用于基于层错的三维光片上网络架构的，基于层错的三维光片上网络架构同实施例1-2。新型九端口无阻塞光路由器包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口分别用于连接当前九端口光路由器的南侧，北侧，西侧，东侧的九端口光路由器；新型九端口无阻塞光路由器的其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5分别用于通过光/电接口、电/光接口和TSV连接五个中间层中的电路由器，由于网络使用OXY路由算法，该新型九端口无阻塞光路由器中不存在南/北向端口至东/西向端口间的光通路。

参见附图5，新型九端口无阻塞光路由器共使用了60个微环谐振器，分别连接端口东、西、南、北、z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5的10根光波导：201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，以及两个波导终端101和102，微环谐振器包括45个层间微环谐振器：01-40，和19个层内微环谐振器：51-70，用于实现光信号的转向，光波导作为载体完成光信号的传输，九端口光路由器中的10根光波导分布于上下两个光平面，4根波导：201，202，203，204位于上平面中，其余6根波导：205，206，207，208，209，210位于下平面中，上下平面的波导之间分别通过位于点301-340处的层间微环谐振器01-40进行光耦合，不会引入波导交叉损耗；而同一平面内的波导之间通过位于点351-370处的层内微环谐振器51-70进行光耦合。九端口光路由器包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口位于上平面；新型九端口无阻塞光路由器的其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5位于下平面。在九端口光路由器中，所有的微环谐振器完全相同，均为窄带微环谐振器，具有相等且唯一的谐振波长。

实施例4

基于层错的三维光片上网络架构及新型九端口无阻塞光路由器的构成和技术方案同实施例1-3。九端口光路由器包括两种基本交换单元，第一种交换单元参见图6(a),由同平面内的两根波导161，162和位于波导交叉点处163的层内微环谐振器构成。当入射光信号波长与层内微环谐振器谐振波长相同时，微环谐振器处于“打开”状态，光信号经其耦合并发生九十度转向进入波导162中传输；当入射光信号波长不同于微环谐振器谐振波长时，微环谐振器处于“关闭”状态，光信号经过微环谐振器时可不受干扰地沿原波导161继续传输。相比于第一种交换单元，第二种交换单元有类似的结构和工作原理，参见图6(b),但第二种交换单元的中的两条光波导164，165在垂直投影面中交叉但实际并不接触，而是分别处于上下两个光平面中。交叉点处放置一个层间微环谐振器166，可以在实现基本交换功能的同时完成光信号的跨平面传输。相比于现有的九端口光crossbar，通过减少波导交叉数量，九端口光路由器中的***损耗有效降低，有利于降低3D光片上网络的整体能耗。

本发明设计并使用了新型九端口无阻塞光路由器，将光波导置于上下两个平面中，利用了层间微环谐振器，在实现两个平面中光信号的耦合的同时，不引入波导交叉损耗，相较于现有的9端口光crossbar,可明显降低平均***损耗，进而有效控制网络的整体能耗。

实施例5

基于层错的三维光片上网络架构及新型九端口无阻塞光路由器的构成和技术方案同实施例1-4。基于层错机制的三维光片上网络架构的五个中间层中每个节点内部的详细结构如附图7所示。图7右上角部分显示的为改进型九端口光路由器171的连接方式及端口，改进型九端口光路由器内部结构和新型九端口光路由器相同，但端口的用途不同。改进型九端口光路由器的东向端口，西向端口，南向端口，北向端口与新型九端口光路由器用途相同，但端口m＝1，m＝2，m＝3，m＝4分别用于连接本地节点中的四个IP核173，下端口用于传输来自其它层的信息；图7左下角部分显示的为十端口电路由器172的连接方式及端口，十端口电路由器包括一个10×10电crossbar以及端口东、西、南、北、上、下、m＝1、m＝2、m＝3、m＝4。

实施例6

本发明还是一种基于层错的3D光片上网络的通信方法，以基于层错的三维光片上网络架构和用于基于层错的三维光片上网络架构的新型九端口无阻塞光路由器为基础设计的，参见图8，基于层错的3D光片上网络的通信包括两种通信类型：1.层间通信，2.层内通信，其中，层内通信包括1.1节点内通信和1.2节点间通信；层间通信则可分为2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信，以及2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，为保证各层网络中负载的均衡，实现资源利用率的最大化，层间交换的流量将按比例分成两种通信方式进行。在均匀流量模型下，通过理论计算，得到使用2.1通过顶层光mesh网络完成层间通信和2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成层间通信的两种通信方式流量比例为5:19。

本发明针对性地使用了三种通信方法，分别用于实现节点内部，层内不同节点间，以及层间的通信，通过省略层间通信中垂直方向的链路建立过程，可有效降低现有的基于电路交换的3D光片上网络在垂直方向上的链路建立时延。

实施例7

基于层错的3D光片上网络的通信方法，以及基于层错的三维光片上网络架构和新型九端口无阻塞光路由器，同实施例1-6。其中，涉及到层内节点内通信的过程，节点内通信包括有如下步骤：

1.1.a：源节点IP核生成电信息分组，记录目的节点IP核的坐标信息(x_dest,y_dest,z_dest,m_dest)，以及源节点IP核的坐标信息(x_sour,y_sour,z_sour,m_sour)并写入电信息分组，其中，x_dest＝x_sour，y_dest＝y_sour，z_dest＝z_sour，m_dest≠m_sour。

1.1.b：源节点IP核发送电信息分组至与源节点IP核直接相连的电路由器(x_sour,y_sour,z_sour,0)，存入输入端口m＝m_sour的缓存队列，并根据目的节点坐标确定输出端口为m＝m_dest。

1.1.c：检测前述电路由器输出端口是否空闲，若空闲则直接发送电信息分组至目的节点IP核，否则等待至输出端口空闲后再发送。

实施例8

基于层错的3D光片上网络的通信方法，以及基于层错的三维光片上网络架构和新型九端口无阻塞光路由器，同实施例1-7。其中，涉及到层内节点间通信的过程，节点间通信包括有如下步骤：

1.2.a：源节点IP核产生一个32bit的电控制分组，记录目的节点IP核坐标信息(x_dest,y_dest,z_dest,m_dest)及源节点IP核坐标(x_sour,y_sour,z_sour,m_sour)并写入电控制分组，其中z_dest＝z_sour，后发送电控制分组至电路由器(x_sour,y_sour,z_sour,0)中。

1.2.b：电控制分组每次到达某一电路由器(x_in,y_in,z_in,0)，电路由器根据XY维序路由算法计算输出端口并检查该端口是否已被锁定，若未锁则锁定该端口并发送电控制分组至下一节点，同时完成光路由器(x_in,y_in,z_in,0)中微环谐振器的状态配置，建立从输入端口到输出端口的光通路；若输出端口已被锁定，则等待直至该端口解锁后，再进行上述操作。

1.2.c：当电控制分组成功建立好源节点到目的节点的光通路并到达目的节点IP核后，目的节点IP核生成一个32bit的电应答分组，沿与电控制分组相反的路径发送给源节点IP核，通知源节点可以发送信息分组。

1.2.d：源节点IP核收到来自目的节点的应答分组后，立即产生电信息分组，调制器将该分组转换为波长与微环谐振器工作波长相同的光信息分组并沿建立好的光通路传输至目的节点IP核。

1.2.e步骤5：目的节点IP核收到光信息分组后由光探测器将其还原为电信息分组再进行进一步处理。

1.2.f：光信息分组发送完毕后，源节点IP核生成一个拆链分组并沿电控制分组的传输路径拆除之前建立好的光通路，释放链路资源。

实施例9

基于层错的3D光片上网络的通信方法，以及基于层错的三维光片上网络架构和新型九端口无阻塞光路由器，同实施例1-8。其中，涉及到层间通信的过程，通过顶层光mesh网络完成的层间通信包括如下步骤：

2.1.a：源节点IP核产生一个32bit的电控制分组，记录目的节点IP核的坐标信息(x_dest,y_dest,z_dest,m_dest)，以及源节点IP核的坐标信息(x_sour,y_sour,z_sour,m_sour)，其中，z_dest≠z_sour，与层内交换不同，此处并不将目的节点的坐标信息写入电控制分组，而是将(x_sour,y_sour,z_sour,m_sour)作为目的地址写入电控制分组，这一坐标信息对应的节点称为“控制目的节点”，再将电控制分组发送至电路由器(x_sour,y_sour,z_sour,0)中，并判断该路由器的上端口是否锁定，若未锁，则锁定该端口并进行下一步，否则等待直至该端口解锁，选用控制目的节点的原因在于，连接到顶部光层中同一个光路由器的五个中间层电路由器都可对该光路由器的状态进行配置，所以无需将控制分组跨层传输至目的节点就可完成光通路的建立。

2.1.b：同层内节点间通信，电控制分组每次到达某一电路由器(x_in,y_in,z_in,0)后，该路由器根据OXY维序路由算法计算输出端口并检查该端口是否已被锁定，若未锁则锁定该端口，并通过该端口发送电控制分组至下一节点，同时完成对顶层光层的九端口光路由(x_in,y_in,6,0)中微环谐振器的状态配置，建立从输入端口到输出端口的光通路；若输出端口已被锁定，则等待直至该端口处于空闲状态时，再进行上述操作。

2.1.c：当电控制分组到达控制目的节点中的电路由器，该路由器判断上端口是否被锁，若未锁则锁定该端口，并进行顶层光路由器配置，配置时应完成输入端口到目的节点对应的输出端口所需光通路的配置，否则等待直至上端口解锁在进行上述操作。

2.1.d：当电控制分组成功建立好源节点IP核到目的节点的光路径并到达控制目的节点IP核后，控制目的节点IP核生成一个32bit的电应答分组，并沿与电控制分组相反的路径发送给源节点IP核，通知源节点可以发送信息分组。

2.1.e：源节点IP核收到来自控制目的节点的应答分组后，立即产生电信息分组并通过源节点中电路由器的上端口以及TSV发送至顶层调制器，调制器将该分组转换为波长与微环谐振器工作波长相同的光信息分组并沿建立好的光路径通过顶部光层传输至与目的节点相连的顶层光路由器，并由光探测器将其还原为电信息分组。

2.1.f：电信息分组通过TSV以及目的节点中的电路由器传输至目的节点IP核并进行进一步处理。

2.1.g：当光信息分组发送完毕后，源节点IP核生成一个拆链分组并沿电控制分组传输路径拆除之前建立好的光路径，释放链路资源。

实施例10

基于层错的3D光片上网络的通信方法，以及基于层错的三维光片上网络架构和新型九端口无阻塞光路由器，同实施例1-9。其中，涉及到层间通信的过程，通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信包括如下步骤：

2.2.a：源节点IP核生成电信息分组，记录目的节点IP核的坐标信息(x_dest,y_dest,z_dest,m_dest)，以及源节点IP核的坐标信息(x_sour,y_sour,z_sour,m_sour)。其中，z_dest≠z_sour。

2.2.b：将前述电信息分组发送至电路由器(x_sour,y_sour,z_sour,0)中并存入输入端口处的缓存队列，检测输出端口下端口是否空闲，若空闲则通过TSV传输至坐标信息为(x_sour,y_sour,0,0)的底层五端口电路由器并存入输入端口z＝z_sour的缓存队列，并根据目的节点所在层确定输出端口为z＝z_dest。

2.2.c：检测前述输出端口是否空闲，若空闲则直接发送电信息分组至目的层电路由器(x_sour,y_sour,z_dest,0)，并存入输入端口下端口的缓存队列，否则等待至输出端口空闲后再发送。

2.2.d：按照前述层内光电路交换的方式将该信息分组发送至目的节点IP核。

本发明针对性地使用了三种通信方法，分别用于实现节点内部，层内不同节点间，以及层间的通信，通过省略层间通信中垂直方向的链路建立过程，可有效降低现有的基于电路交换的3D光片上网络在垂直方向上的链路建立时延。

实施例11

基于层错的3D光片上网络的通信方法，以及用于基于层错的三维光片上网络架构的新型九端口无阻塞光路由器，和基于层错的三维光片上网络架构同实施例1-10。

本例中取N＝4，即网络规模为320核。通过4项不同通信实例来详述本发明基于层错机制的4×4×4×5光片上网络的通信过程。

节点内部通信：IP核(1,1,2,3)与IP核(1,1,2,1)通信时步骤如下：

步骤1.1.a：IP核(1,1,2,3)产生电信息分组，确定该分组的源地址为(1,1,2,3)，目的地址为(1,1,2,1)，并写入信息分组中。

步骤1.1b：IP核(1,1,2,3)发送该分组至电路由器(1,1,2,0)，存储分组至输入端口m＝3的缓存队列中。

步骤1.1.c：中间层电路由器(1,1,2,0)根据目的地址(1,1,2,1)确定输出端口为m＝1，检测这一输出端口是否空闲，若空闲则将该信息分组发送至目的节点，否则等待直至该输出端口空闲后再发送信息分组。

层内节点间通信：IP核(1,1,2,3)与IP核(3,2,2,1)通信时步骤如下：

步骤1.2.a：IP核(1,1,2,3)产生电控制分组，确定该分组的源地址为(1,1,2,3)，目的地址为(3,2,2,1)，并发送给电路由器(1,1,2,0)。

步骤1.2.b：电路由器(1,1,2,0)收到该分组，根据XY维序路由算法确定下一跳地址为(2,1,2,0)。检测当前路由器的东输出端口是否锁定，若未锁定，则锁定该端口并通过该输出端口发送该分组至下一跳节点(2,1,2,0)，同时建立光路由器(1,1,2,0)中本地端口→东端口的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤1.2.c：电路由器(2,1,2,0)收到该分组，根据XY维序路由算法确定下一跳地址为(3,1,2,0)。检测当前路由器的东输出端口是否锁定，若未锁定，则锁定该端口并通过该输出端口发送该分组至下一跳节点(3,1,2,0)，同时建立光路由器(2,1,2,0)中西端口→东端口的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤1.2.d：电路由器(3,1,2,0)收到该分组，根据XY维序路由算法确定下一跳地址为(3,2,2,0)。检测当前路由器的北输出端口是否锁定，若未锁定，则锁定该端口并通过该输出端口发送该分组至下一跳节点(3,2,2,0)，同时建立光路由器(3,1,2,0)中西端口→北端口的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤1.2.e：电路由器(3,2,2,0)收到该分组并判定电路由器(3,2,2,0)的输出端口m＝1端口是否已锁，若未锁定，则锁定该端口并发送该分组至IP核(3,2,2,1)，同时建立光路由器(3,1,2,0)中南端口

m＝1的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤1.2.f：IP核(3,2,2,1)收到该分组后，生成一个电应答分组并沿与电控制分组相反的路径发送至IP核(1,1,2,3)，告知其可以开始发送信息分组。

步骤1.2.g：IP核(1,1,2,3)收到来自IP核(3,2,2,1)的应答信号后，产生电信息分组，并经调制器转换为光信息分组后，沿着建立好的光路径传输至IP核(3,2,2,1)。

步骤1.2.h：IP核(3,2,2,1)收到光信息分组后经光探测器将其转换为电信息分组再作进一步处理。

步骤1.2.i：当光信息分组传送完毕后，IP核(1,1,2,3)生成一个电拆链分组沿电控制分组传输路径拆除之前建立好的光路径并释放相应资源。

使用顶部光层进行通信时，IP核(1,1,4,3)与IP核(3,2,2,1)通信时步骤如下：

步骤2.1.a：IP核(1,1,4,3)产生电控制分组，确定源地址为(1,1,4,3)，控制目的地址为(3,2,4,1)，目的地址为(3,2,2,1)，并发送给电路由器(1,1,4,0)。判断该电路由器的上端口是否被锁，若未锁则锁定该端口并进行下一步；否则等待直至该端口解锁再进行上述操作。

步骤2.1.b：电路由器(1,1,4,0)收到该分组，根据XY维序路由算法确定下一跳地址为(2,1,4,0)。检测当前路由器的东输出端口是否锁定，若未锁定，则锁定该端口并通过该输出端口发送该分组至下一跳节点(2,1,4,0)，同时打开顶层光路由器(1,1,6,0)中z＝4端口

东端口的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤2.1.c：电路由器(2,1,4,0)收到该分组，根据XY维序路由算法确定下一跳地址为(3,1,4,0)。检测当前路由器的东输出端口是否锁定，若未锁定，则锁定该端口并通过该输出端口发送该分组至下一跳节点(3,1,4,0)，同时打开顶层光路由器(2,1,6,0)中西端口→东端口的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤2.1.d：电路由器(3,1,4,0)收到该分组，根据XY维序路由算法确定下一跳地址为(3,2,4,0)。检测当前路由器的北输出端口是否锁定，若未锁定，则锁定该端口并通过该输出端口发送该分组至下一跳节点(3,2,4,0)，同时打开顶层光路由器(3,1,6,0)中西端口→北端口的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤2.1.e：电路由器(3,2,4,0)收到该分组，判定该电路由器上端口是否被锁，若未锁则锁定该端口并进行下一步，否则等待直至该端口解锁。

步骤2.1.f：判定电路由器(3,2,4,0)的输出端口m＝1端口是否已锁，若未锁定，则锁定该端口并发送电控制分组至IP核(3,2,4,1)，同时打开顶层光路由器(3,1,6,0)中南端口

z＝2的光通路；若该端口已锁，则等待至该端口解锁后再进行上述操作。

步骤2.1.g：控制目的IP核(3,2,4,1)收到电控制分组后，生成一个电应答分组并沿与电控制分组相反的路径发送至IP核(1,1,4,3)，告知其可以开始发送信息分组。

步骤2.1.h：IP核(1,1,4,3)收到来自控制目的IP核(3,2,4,1)的应答信号后，产生电信息分组，先经电路由器(1,1,4,0)上端口发送至顶层调制器，经调制器转换为光信息分组后，沿着预约好的光路径传输至光路由器(3,2,6,0)。

步骤2.1.i：光路由器(3,2,6,0)收到光信息分组后经光探测器将其转换为电信息分组沿TSV发送至电路由器(3,2,2,0)，再发送至IP核(3,2,2,1)进行进一步处理。

步骤2.1.j：当光信息分组传送完毕后，源IP核(1,1,4,3)生成一个电拆链分组沿电控制分组传输路径拆除之前建立好的光路径并释放相应资源。

使用底部电层进行通信时，IP核(1,1,4,3)与IP核(3,2,2,1)通信时步骤如下：

步骤2.2.a：IP核(1,1,4,3)产生电信息分组，确定该分组的源地址为(1,1,4,3)，目的地址为(3,2,2,1)，以及分组序号，并发送给电路由器(1,1,4,0)，存入输入端口m＝3端口处的缓存队列。待下端口空闲后发送该信息分组至底层电路由器(1,1,0,0)，并存入输入端口z＝4处的缓存队列中。

步骤2.2.b：根据目的节点地址确定输出端口为z＝2,待该端口空闲后发送电信息分组至电路由器(1,1,2,0)，并存入输入端口下端口处的缓存队列中。

步骤2.2.c：类似于层内节点间通信方式中IP核(1,1,2,3)

IP核(3,2,2,1)的通信方式完成通信。

本例中，四项通信过程都可以高效地成功完成，涵盖了基于层错机制的3D光片上网络的全部通信情况。

简而言之，本发明提出的一种基于层错的三维光片上网络架构、通信方法及光路由器，属于片上光互连领域的技术，解决了现有技术存在的垂直方向阻塞严重、TSV分布不均匀、高阶光路由器***损耗大的技术问题。三维光片上网络架构共七层，顶层为光网络层，集成有个新型九端口光路由器；底层为纯电层，集成有N×N个五端口电路由器；中间五层每层集成有N×N×4个IP核，N为正整数，以中间层中的最上层为基准，其余四层分别沿四个对角线方向错位，形成层错机制；新型九端口光路由器具有九对全双工端口，提供中间层间的高阶光互连，有效解决了传统的使用低阶互连的3D光片上网络中垂直方向阻塞严重的问题，实现处理器核之间的高效通信。IP核间通信分为节点内部通信，层内节点间通信和层间通信，节点内部通信和层内通信通过中间层光网络完成，层间通信通过顶层光网络或底层电路由器实现。用于多处理器芯片中的处理器的互连及通信。

Claims (3)

1.一种用于基于层错的三维光片上网络***的新型九端口无阻塞光路由器，简称为九端口光路由器，其特征在于，包括九对全双工端口：南向端口，北向端口，西向端口，东向端口，端口z＝1，端口z＝2，端口z＝3，端口z＝4，端口z＝5，每对全双工端口均包含一个输入端口和一个输出端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口分别用于连接当前九端口光路由器的南侧，北侧，西侧，东侧的九端口光路由器；其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5分别用于通过光/电接口、电/光接口和硅穿孔TSV连接五个中间层中的电路由器；所述九端口无阻塞光路由器使用了两层光平面，包含10根光波导：201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，光波导作为载体完成光信号的传输，九端口光路由器中的10根光波导分布于上下两个光平面，其中，4根波导：201，202，203，204位于上平面中，其余6根波导：205，206，207，208，209，210位于下平面中；其中，波导201的两端分别是北端口的输出端口、南端口的输入端口，波导202的两端分别是北端口的输入端口、南端口的输出端口，波导203的两端分别是西端口的输入端口、东端口的输出端口，波导204的两端分别是西端口的输出端口、东端口的输入端口；波导205的两端分别是z＝3端口的输入端口、z＝1端口的输出端口，波导206的两端分别是z＝3端口的输出端口、z＝1端口的输入端口，波导207的两端分别是z＝4端口的输入端口、z＝2端口的输出端口，波导208的两端分别是z＝4端口的输出端口、z＝2端口的输入端口，波导209的其中一端是z＝5端口的输入端口，波导210的其中一端是z＝5端口的输出端口；所述九端口光路由器包含60个微环谐振器：01-40、51-70，微环谐振器负责将光信号从一根波导耦合到另一根波导，进而实现将光信号输出到不同的输出端口；上下平面的波导之间分别通过微环谐振器01-40进行光耦合，不会引入波导交叉损耗；而同一平面内的波导之间分别通过微环谐振器51-70进行光耦合；其中，微环谐振器51、67、68、13位于上平面，其余微环谐振器位于下平面；九端口无阻塞光路由器包括九对全双工端口，其中，南向端口，北向端口，西向端口，东向端口位于上平面；其余五个端口：端口z＝1，z＝2，z＝3，z＝4，z＝5位于下平面；其中，沿z＝1端口的输入端口向z＝3端口的输出端口，波导206上依次分布着微环谐振器01、39、66、35、33、65、56，分别负责将光信号输出到北端口、西端口、z＝4端口、南端口、东端口、z＝5端口、z＝2端口的输出端口；沿z＝2端口的输入端口向z＝4端口的输出端口，波导208上依次分布着微环谐振器53、09、61、26、27、32、70，分别负责将光信号输出到z＝3端口、北端口、z＝5端口、东端口、南端口、西端口、z＝1端口的输出端口；沿z＝3端口的输入端口向z＝1端口的输出端口，波导205上依次分布着微环谐振器15、17、16、04、55、57、63，分别负责将光信号输出到西端口、南端口、东端口、北端口、z＝2端口、z＝4端口、z＝5端口的输出端口；沿z＝4端口的输入端口向z＝2端口的输出端口，波导207上依次分布着微环谐振器54、20、22、21、59、07、52，分别负责将光信号输出到z＝1端口、西端口、南端口、东端口、z＝5端口、北端口、z＝3端口的输出端口；沿z＝5端口的输入端口，波导209上依次分布着微环谐振器36、34、64、40、13、62、60，分别负责将光信号输出到南端口、东端口、z＝1端口、西端口、北端口、z＝2端口、z＝4端口的输出端口；沿北端口的输入端口向南端口的输出端口，波导202上依次分布着微环谐振器03、06、23、11、12，分别负责将光信号输出到z＝1端口、z＝3端口、z＝4端口、z＝2端口、z＝5端口的输出端口；沿西端口的输入端口向东端口的输出端口，波导203上依次分布着微环谐振器51、02、05、08、10、14、67，分别负责将光信号输出到北端口、z＝1端口、z＝3端口、z＝4端口、z＝2端口、z＝5端口、南端口的输出端口；沿南端口的输入端口向北端口的输出端口，波导201上依次分布着微环谐振器38、28、30、25、19，分别负责将光信号输出到z＝5端口、z＝1端口、z＝2端口、z＝4端口、z＝3端口的输出端口；沿东端口的输入端口向西端口的输出端口，波导204上依次分布着微环谐振器37、31、69、29、24、18、68、13，分别负责将光信号输出到z＝5端口、z＝1端口、西端口、z＝2端口、z＝4端口、z＝3端口、南端口、北端口的输出端口；由于网络使用OXY路由算法，该光路由器中不存在南/北向端口至东/西向端口间的光通路；在九端口无阻塞光路由器中，所有的微环谐振器完全相同，均为窄带微环谐振器，具有相等且唯一的谐振波长。

2.一种基于层错的三维光片上网络***，将多个分布有IP核的通信层通过3D集成技术集成在单一芯片中，并通过垂直互连线连接各层，实现层间的通信，其特征在于，网络架构包括七层，最顶部一层为光网络层，该层共包含了通过mesh网络进行互连的N²个节点，N代表mesh网络的维数，为一正整数，每个节点包括一个调制器、一个探测器，以及一个如权利要求1所述的新型九端口无阻塞光路由器；底部一层为集成有N²个相互独立的五端口电路由器的电层，其中的电路由器同样采用mesh拓扑进行排布；其余五层为中间层，每层包括一个光通信网络，一个与之重叠的电控制网络以及N×N×4个采用Cmesh拓扑结构进行互连的IP核；3D光片上网络中，各中间层采用完全相同的拓扑和布局，垂直方向投影不重合；以中间层中的最上层为基准，其余四个中间层分别沿四个对角线方向错位，使得各中间层中用于实现层间高阶互连的硅穿孔TSV的交错且均匀分布，形成层错结构；中间层中每个节点设置有一个十端口电路由器、一个所述新型九端口无阻塞光路由器以及四个IP核，该电路由器的端口包括构建Cmesh网络的八个端口和连接垂直互连线的上、下端口，所述新型九端口无阻塞光路由器包括构建Cmesh网络的八个端口和下端口，每个十端口电路由器的上、下端口各连接有一根硅穿孔TSV用于实现层间互连，网络中所有的IP核及路由器使用(x，y，z，m)坐标系，x，y，z含义同笛卡尔三维坐标系，其中0≤x，y≤(N-1)，0≤z≤6，对于所有的路由器m置为0，对于中间层中的IP核，m正方向为节点内顺时针方向，1≤m≤4，且每一中间层中，光网络和电网络内相同位置的光/电路由器共用同一组坐标信息，每个中间层中坐标信息为x＝x₀，y＝y₀的节点内的电路由器通过两根硅穿孔TSV分别连接至顶层和底层中坐标信息为x＝x₀，y＝y₀节点处的所述新型九端口无阻塞光路由器和五端口电路由器，实现高效的层间高阶互连。

3.一种基于层错的3D光片上网络的通信方法，在权利要求1所述的基于层错的三维光片上网络***的新型九端口无阻塞光路由器和权利要求2所述的基于层错的三维光片上网络***上实现，其特征在于，基于层错的3D光片上网络的通信方法，包括两种通信类型：1.层间通信，2.层内通信，其中，层内通信包括1.1节点内通信和1.2节点间通信；层间通信则分为2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信，以及2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，在均匀流量模型下，使用2.1通过顶层光mesh网络完成的层间通信和2.2通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信，两种通信方式的流量比例为5∶19；

其中，节点内通信包括有如下步骤：

1.1.a源节点IP核生成电信息分组，记录目的节点IP核坐标信息(x_dest，y_dest，z_dest，m_dest)，以及源节点IP核坐标信息(x_sour，y_sour，z_sour，m_sour)并写入电信息分组，其中，x_dest＝x_sour，y_dest＝y_sour，z_dest＝z_sour，m_dest≠m_sour；

1.1.b源节点IP核发送电信息分组至与源节点IP核直接相连的电路由器(x_sour，y_sour，z_sour，0)，存入输入端口的缓存队列，并根据目的节点坐标确定输出端口；

1.1.c检测步骤1.1.b中确定的输出端口是否空闲，若空闲则直接发送电信息分组至目的节点IP核，否则等待至输出端口空闲后再发送；

其中，节点间通信包括有如下步骤：

1.2.a源节点IP核产生一个32bit的电控制分组，记录目的节点IP核坐标信息(x_dest，y_dest，z_dest，m_dest)及源节点IP核坐标(x_sour，y_sour，z_sour，m_sour)并写入电控制分组，其中z_dest＝z_sour，再发送电控制分组至电路由器(x_sour，y_sour，z_sour，0)中；

1.2.b电控制分组每次到达某一电路由器(x_inter，y_inter，z_inter，0)，电路由器根据XY维序路由算法计算输出端口并检查该端口是否已被锁定，若未锁则锁定该端口并发送电控制分组至下一节点，同时完成光路由器(x_inter，y_inter，z_inter，0)中微环谐振器的状态配置，建立从输入端口到输出端口的光通路；若输出端口已被锁定，则等待直至该端口解锁后，再进行上述操作；

1.2.c当电控制分组成功建立好源节点到目的节点的光通路并到达目的节点后，目的节点生成一个32bit的电应答分组，沿与电控制分组相反的路径发送给源节点IP核，通知源节点可以发送信息分组；

1.2.d源节点IP核收到来自目的节点的应答分组后，立即产生电信息分组，调制器将该分组转换为波长与微环谐振器工作波长相同的光信息分组并沿建立好的光通路传输至目的节点IP核；

1.2.e目的节点IP核收到光信息分组后由光探测器将其还原为电信息分组再进行进一步处理；

1.2.f光信息分组发送完毕后，源节点IP核生成一个拆链分组并沿电控制分组的传输路径拆除之前建立好的光通路，释放链路资源；

其中，通过顶层光mesh网络完成的层间通信包括如下步骤：

2.1.a源节点IP核产生一个32bit的电控制分组，记录目的节点IP核的坐标信息(x_dest，y_dest，z_dest，m_dest)，以及源节点IP核的坐标信息(x_sour，y_sour，z_sour，m_sour)，其中，z_dest≠z_sour，与层内交换不同，此处并不将目的节点的坐标信息写入电控制分组，而是将(x_dest，y_dest，z_sour，m_dest)作为目的地址写入电控制分组，这一坐标信息对应的节点称为“控制目的节点”，再将电控制分组发送至电路由器(x_sour，y_sour，z_sour，0)中，并判断该路由器的上端口是否锁定，若未锁，则锁定该端口并进行下一步，否则等待直至该端口解锁，选用控制目的节点的原因在于，连接到顶部光层中同一个光路由器的五个中间层电路由器都可对该光路由器的状态进行配置，所以无需将电控制分组跨层传输至目的节点就可完成光通路的建立；

2.1.b与层内节点间交换相同，电控制分组每次到达某一电路由器(x_inter，y_inter，z_inter)后，该路由器根据OXY维序路由算法计算该分组的输出端口并检查端口是否已被锁定，若未锁则锁定该端口，并通过该端口发送电控制分组至下一节点，同时完成对顶层光层的九端口无阻塞光路由器(x_inter，y_inter，6，0)中微环谐振器的状态配置，建立从输入端口到输出端口的光通路；若输出端口已被锁定，则等待直至该端口处于空闲状态时，再进行上述操作；

2.1.c当电控制分组到达控制目的节点中的电路由器，判断该路由器上端口是否被锁，若未锁则锁定该端口，并进行顶层光路由器配置，配置时应完成输入端口到目的节点对应的输出端口所需光通路的配置，否则等待直至上端口解锁，

2.1.d当电控制分组成功建立好源节点IP核到目的节点的光路径并到达控制目的节点IP核后，控制目的节点IP核生成一个32bit的电应答分组，并沿与电控制分组相反的路径发送给源节点IP核，通知源节点可以发送信息分组；

2.1.e源节点IP核收到来自控制目的节点的应答分组后，立即产生电信息分组并通过源节点中电路由器的上端口以及硅穿孔TSV发送至顶层调制器，调制器将该分组转换为波长与微环谐振器工作波长相同的光信息分组并沿建立好的光路径通过顶部光层传输至与目的节点相连的顶层光路由器，并由光探测器将其还原为电信息分组；

2.1.f电信息分组通过TSV以及目的节点中的电路由器传输至目的节点IP核并进行进一步处理；

2.1.g当光信息分组发送完毕后，源节点IP核生成一个拆链分组并沿电控制分组传输路径拆除之前建立好的光路径，释放链路资源；

其中，通过底层五端口电路由器以及中间层完成的层间通信包括如下步骤：

2.2.a源节点IP核生成电信息分组，记录目的节点IP核的坐标信息(x_dest，y_dest，z_dest，m_dest)，以及源节点IP核的坐标信息(x_sour，y_sour，z_sour，m_sour)，其中，z_dest≠z_sour；

2.2.b将源节点IP核生成的电信息分组发送至电路由器(x_sour，y_sour，z_sour，0)中并存入输入端口处的缓存队列，电路由器检测输出端口下端口是否空闲，若空闲则通过TSV传输该分组至坐标信息为(x_sour，y_sour，0，0)的底层五端口电路由器并存入输入端口的缓存队列，并根据目的节点所在层z＝z_dest确定输出端口；

2.2.c检测2.2.b中根据目的节点所在层z＝z_dest确定的输出端口是否空闲，若空闲则直接发送电信息分组至目的层电路由器(x_sour，y_sour，z_dest，0)，并存入输入端口下端口的缓存队列，否则等待至输出端口空闲后再发送；

2.2.d根据1.2.a-1.2.f所述的层内光电路交换的方式将该信息分组发送至目的节点IP核。

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