CN102804650A - 高速、高密度通信系统的光互连装置 - Google Patents

高速、高密度通信系统的光互连装置 Download PDF

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Abstract

提出了在高速数据应用中使用的光互连装置，它通过利用脉冲幅度调制(PAM)技术来表示光域中的数据，同时利用单独的通道用于传输光时钟信号，消除了在该装置的接收端上对时钟恢复电路的需要，来消除对大批串行化/并行化(SERDES)功能的需要。

Description

高速、高密度通信系统的光互连装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年6月12日提交的第61/186,718号美国临时申请的权益，该申请通过引用合并在本文中。
技术领域
本发明涉及光互连装置，尤其涉及通过利用脉冲幅度调制(PAM)技术与单独的时钟信号传输通道相结合，来减少对大批串行化/并行化(SERDES)功能的需要的装置。
发明的背景
由于对计算和联网应用的持续需要，对高性能计算(HPC)平台、以及大型数据中心存在不断增加的需要。在两种情况下，在计算机服务器之间或网络节点之间的互连已经跟不上在芯片或服务器中的计算能力的增长。瓶颈包括，但不限于芯片到芯片的通信能力、大小和等待时间，以及服务器到服务器的通信能力、大小和等待时间。在较新的应用中，因为光纤的带宽显著大于标准的铜互连的带宽，光纤已经被用作芯片(或服务器)之间的物理链接。
芯片本身的处理一般采用并行字来实施，并行字是多位宽度(典型的并行字有8位、16位、32位或64位宽度)。将这些信息从第一芯片传输到第二芯片(或其它元件)上，通常要求将并行字转换成串行形式以便减少在芯片边缘的引脚数，否则物理封装可能需要处理大量的并行输出引线数。
于是，通常在芯片的边缘进行串行化(serialization)处理，从并行字产生串行数据。在通信路径的接收端，需要并行化(de-serialization)功能以将输入的串行数据流还原成在处理的接收侧上的芯片中使用的并行字结构。这些串行化和并行化处理的结合在本领域中常被称为“SERDES”。此外，系统的接收端必须对输入的串行数据流执行时钟恢复以便适当地还原并行字。
SERDES和时钟恢复处理存在问题，因为它们消耗相当大的功率，同时在要求和期望高速运行的处理中增加了等待时间。
因此，本领域存在对具有改进的运行特性的基于光的互连系统的需求。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的需求，其涉及光互连装置，尤其涉及通过利用脉冲幅度调制(PAM)技术，以及另外地，与时钟信号的单独的传输通道相结合，消除在该装置的接收端上对时钟恢复电路的需求，来减少对大批串行化/并行化(SERDES)功能的需求的装置。
根据本发明，从并行数据字产生多级PAM信号来产生能够同时传输多位的编码的数据流，消除在芯片边缘将并行数据字完全串行化的需要。可以在整个字上实施PAM，或采用部分PAM技术。例如，PAM-16光调制技术可以被用于同步地传输4位。通常，PAM-N2调制技术用于同步地传输N位数据。
在本发明的优选实施方式中，光Mach-Zehnder干涉仪(MZI)被用于从并行字输入信号产生PAM输出信号。然后，第二MZI被用于与该PAM信号并行地单独传输时钟信号，消除在接收端上对执行时钟恢复的需要。利用不同的波长，可以在与PAM输出数据信号相同的信号路径(通常是光纤)上传输光时钟信号，或者利用相同的波长在第二个单独的光纤上传输光时钟信号。
有利地，产生的光时钟信号可以进一步跨芯片分布和提供频率锁定的计时装置。
在下列讨论过程和通过参考附图，本发明的其它和进一步的实施方式和优势将变得显而易见，在几个视图中相似的数字表示相似的部件。
附图简要说明-
下面参考附图，
图1是利用SERDES功能的传统的现有技术的基于光的互连装置的在第一芯片和第二芯片之间的示例性的数据通信装置的方框图，所述每个芯片具有利用并行数据字的处理内核和利用串行数据传输的互连；
图2表示用在图1的装置中的利用SERDES功能的基于光的互连装置的示例性的现有技术的实现；
图3是示例性数据通信装置的方框图，其中在图1中显示的SERDES功能被直接的光互连装置取代；
图4表示可以在图3的装置中使用的示例性的直接的光互连装置，其中脉冲幅度调制(PAM)方案被用于同步地传输多位数据；
图5包含本发明的光互连装置的示例性实施方式，其利用第一MZI将并行的电数据编码成PAM光信号和利用第二MZI传输时钟信号，从而消除在接收端对CDR的需求；
图6显示本发明的光互连装置的可替换实施方式，其利用相同的波长传输PAM数据信号和光时钟，提供分开的光纤来传输两种信号；以及
图7表示可用在图5或图6的装置中的可替换的光时钟配置，可替换的配置包括第二(备用的)时钟源，以及将频率锁定的光信号分布到计算芯片的各个区域的光分离装置。
详细说明
如上所叙述，当今的数据中心依赖于与高速互连相耦合以实现当今应用的性能度量(performance metrics)的成千上万的计算节点。各个计算节点由用于执行各种功能的集成电路(芯片)处理器内核组成。各个节点的处理能力正持续快速地增强。但是，以高速度、低功耗以及更少的等待时间来互连节点的需求正超出当今的可用技术。
图1表示传统的现有技术的在第一芯片1和第二芯片2之间的光互连装置。芯片1包括用于操纵大量并行字格式的数据的处理内核3。类似的处理内核4包括在芯片2中，需要经由光互连链路5提供在芯片1和2之间的通信。需要理解的是为了清晰起见，仅显示了单个链路5。在一个适度复杂的系统中，有好几万个这种链路。此外，尽管图1显示了一组来自芯片1和2的四个输出，需要理解的是可以有将这些芯片链接到不止四个的其它节点的另外的输出组。
如所示，离开/进入每个处理内核的并行字数据首先经过关联的SERDES设备，其中SERDES 6与处理内核3相关联，而分开的SERDES 7与处理内核4相关联。假定通信路径是从第一芯片1到第二芯片2，离开处理内核3的并行数据字此后在SERDES 6中被串行化，在例如电连接引脚P1离开第一芯片1。此后，串行的电信号在电/光(E/O)转换设备8中被变换成光复制品，并被耦合到光互连链路5以用于传输到第二芯片2中。在第二芯片2的外围，光信号然后在光/电(O/E)转换设备9中被转换成电形式，并被用作SERDES 7的“并行化”部分7-D的输入，其起到对该数据进行并行化和以并行字形式再生的功能。
尽管没有详细显示，显然，在相反的方向可使用类似的传输路径将数据从第二芯片2回传到第一芯片1。实际上，所有的互连都被假定形式上是双向的。
如上所叙述，SERDES 6、7和E/O、O/E转换设备8、9消耗相当大的功率，并被公知给总系统增加了等待时间。此外，对于高数据速率的应用，这些各种部件的带宽都需要非常大，甚至要求更大的电功率。
图2是可以部署在图1的系统中的传统的现有技术的光互连装置的示意图。在这种情形，期望传输4位宽的并行数据字，每个位运行在例如5Gb/s的数据速率(当然，可以使用任何其它的数据速率)。四个并行数据位被用作SERDES 6的串化器部分6-S的分开的输入。四个分开的数据流运行在示例性的5Gb/s的速率，因此被合并以形成运行在20Gb/s的数据速率的单个输出数据流。在图2的特定实施方式中，E/O转换发生在E/O转换设备8中形成的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)中，其中连续波(CW)光输入信号I被用作单独的输入，而电数据信号被用于产生调制的光输出信号O。光输出信号O此后被耦合到光通道5(其可以是光纤，集成的光波导或其它适当的光通信介质)并沿着光通道5传播。O/E转换设备9，其位于第二芯片2的外围，然后将接收到的20Gb/s的光信号再转换成串行电数据信号(以20Gb/s的速率)。SERDES 7的并行化部分(在图2中表示成7-D)然后沿着四个输出数据路径分离该信号，各自运行在与离开第一芯片1的一组信号相同的数据速率(在这种情形，是5Gb/s)。对于这个特定的数据速率，调制器8、O/E转换器9、串化器6-S和并化器7-D的带宽，都需要在20GHz(假定四个通道的输入数据速率是5Gb/s)的数量级，要求相当大的电功率。
对在图1和2中示出的现有技术的装置的改进可以通过改变光调制技术以允许N2级信号被用于同步传输N个数据位来实现，从而消除在处理内核3和4的输出端的SERDES操作的需求。图3包含示例性N2级直接光装置的方框图。再次假定N＝4(即4位并行字从处理内核3离开)的通信路径，该4位并行字被直接地用作适当类型的E/O转换设备10的输入，用于将所有四位编码成16级光输出信号，其然后沿着互连链路5传输。在接收端，首先执行O/E转换，接着将该16级信号转换成分开的数据信号以被第二处理内核4使用。
图4是可以用在图3的装置中的N2级处理类型的具体实施方式。如在这个具体实施方式中所示，4位并行字被用作光调制器12的输入(需要理解的是也可以使用各种其它装置，包括但不限于8位、16位、64位等等)。类似于上面描述的现有技术的装置，数据可以以5Gb/s的速率流动，尽管可以使用任何其它的数据速率。与图2的现有技术的装置形成对比，该四个分开的位并不首先被串行化，而是被用作光调制器12的同步输入。在这个具体实施方式中，光调制器12包括利用四位输入信号产生PAM-16光输出信号的脉冲幅度调制器(PAM)。可以在第7383597号美国专利中找到利用本申请的光PAM装置的完整讨论，该专利于2009年1月27日发布给K.Shastri等人，被转让给本申请的受让人，通过引用合并在本文中。在这种情形，通过控制沿着调制器12形成的多个调制段(segment)13-1、13-2、13-3、13-4的长度，四个并行位被耦合到分开的调制段13，形成了保留初始的输入速率(例如5Gb/s)的PAM-16调制的光输出信号。可以使用调制器12的其它多段装置，其中增加段数允许提高输出信号的线性度。此外，如上所述，5Gb/s的数据速率仅作为示例考虑；任何其它适当的数据速率可以用于本发明的系统中。
通过维持输入数据流的数据速率，光通道经历较少的基于色散的损失，且O/E转换设备9在第二芯片2上执行O/E转换时将消耗较少的功率。在这个特定应用中，利用4位A/D转换器和时钟数据恢复(CDR)电路14来代替并化器以恢复四个分开的数据位。
当对图1和2的装置进行改进时，图3和4的“直接光学”实施方式仍然要求在通信路径的接收侧使用CDR，其仍然消耗相当大的功率，并可引入错误到该系统，都是以增加等待时间为代价。
根据本发明，已经发现通过与PAM光数据信号并行地同步传输光时钟信号，利用传输的时钟信号来控制接收侧的A/D转换器，可以消除在各个光互连路径的接收侧对CDR的需求。通过消除沿着各个链路的CDR操作，在降低系统的等待时间的同时，实现了功率的显著节省。
图5包含图示根据本发明形成以包括用于与PAM光数据信号并行地传输光时钟信号的第二信号路径的示例性光互连的示意图。类似于上面关联图3和图4所描述的装置，PAM调制器12被用于传输基于并行N位数据输入的N2级光信号。该实施方式在这种情形中N＝4；显然，可以使用任何其它适当的N值。
如所示，4位的并行位字被用作相位对准器(phase aligner)20的输入(为了讨论，假定各个数据输入运行在5Gb/s的速率，显然可以使用任何其它适当的数据速率)。单独的时钟输入被应用到相位对准器20和用于保持该四个分开的数据流的同步操作。在一个示例性实施方式中，一组D触发器可用于形成相位对准器20。“时钟控制的(clocked)”数据信号此后被用作PAM调制器的单独的输入，在第一波长λ1的CW光输入信号I被用作调制器12的光输入。再次，光调制器12包括能够形成PAM输出信号的多段调制器，段数有助于输出的线性度(即，段数的增加将导致适当地调整输出以更好地符合调制器的相位传递函数的能力)。调制器12的输出因此是脉冲幅度调制的光信号(也称作“PAM光数据信号”)，代表输入数据信号的所有N位。
根据本发明，电时钟信号被用作分离的调制器22的输入。在图5的这个具体实施方式中，运行在第二波长λ2的第二CW光源，被用作调制器22的光输入，因此在输出端产生光时钟信号OC。如图5中所示，调制器22被形成以基本上呈现与PAM调制器12同样的尺寸，使得沿着调制器22传播的光信号与沿着模块12传播的光信号经历基本上相同的传播延时，因此允许光时钟信号OC与PAM调制的光数据信号保持同步。
如图5中所示，PAM光数据信号和光时钟信号OC然后被用作光多路复用器24的分开的输入，多路复用器24将波长λ1和λ2的信号组合到光通道5上以用于传输到第二芯片2。一旦在芯片2接收到，PAM数据和时钟信号在光多路分离器26中被分离，波长λ1的PAM光数据信号被用作第一O/E转换器设备9-1的输入，而波长λ2的光时钟信号OC被用作第二O/E转换器设备9-2的输入。从设备9-1输出的经转换的电数据信号然后被用作A/D转换器28的输入，而从O/E转换器设备9-2输出的电时钟信号被直接用作A/D 28的时钟输入。
本发明的装置的一个重要特征是，沿着光通道5与数据信号一起同步传输时钟信号，允许时钟直接地同步所接收的数据和避免在通道的接收侧从PAM光数据信号执行“时钟恢复”的需要。消除对CDR的需要因此减少由装置消耗的总功率并减少系统的等待时间。
图6表示本发明的光互连装置的可替换实施方式。在这种情形，产生的光时钟具有与PAM光数据信号相同的波长λ1，然后在第一芯片1和第二芯片2之间的单独的光纤上传输光时钟。参考图6，其中同样的参考数字保留给类似的部件，从相位对准器20输出的时钟控制数据被用作调制器12的电输入，初始时钟信号被用作第二调制器22的输入，如同图5的实施方式。但是，在这种情形，相同的CW激光源被用于提供光输入信号到调制器12和22。即，CW激光源的输出被通过光分路器29传输和耦合到两个调制器12和22的光输入端。因此，在调制器12和22的输出端将是运行在相同波长但具有不同的调制特性的光信号。根据本发明的这个实施方式，不需要多路复用器；相反，光通道5被形成以包括一对光纤5-1和5-2，PAM光数据信号被耦合到第一光纤5-1，而光时钟信号OC被耦合到第二光纤5-2。该对信号然后沿着该路径传播到第二芯片2，其中沿着光纤5-1的PAM光数据信号然后被用作第一O/E转换设备9-1的输入，而沿着光纤5-2的光时钟信号OC被用作第二O/E转换设备9-2的输入。后续处理基本上与上面关联图5所描述的处理相同。
在图6的实施方式中，在消除在另一波长的第二光学激光器和波长复用/分离部件的需求，和在该装置的任何一端利用第二光纤以及必要的耦合的需求之间存在折中。
此外，将产生的光时钟信号的使用进行扩展以提供分布到系统中的各种光学元件或元件的组合的时钟信号是可能的。图7图示一个示例性的可被用作调制器22的光时钟分布装置30，其中来自装置30的一个输出端被用作例如光多路复用器24或光纤5-2的光时钟输入，而剩下的光时钟信号被分布到其它光系统部件。
参考图7，它显示装置30也可以利用CW光输入信号的第二光源(以第二光源32表示)，以在识别到最初的光源失效时被用作备用光源(“失效”也可以被定义为第一光源的输出功率下降到预定的阈值以下)。在这个平衡配置中，电时钟信号和它的反相信号(在图7中显示为CLK和
Figure BDA0000117029350000081
)被用作MZI 34的输入和被用于调制CW光信号，产生光时钟OC输出信号和它的反相信号(显示为
Figure BDA0000117029350000082
)。
如图7中所示，装置30还包括由多个分支波导形成的光分离装置36，光分路器36耦合到MZI 34的输出端。每个波导部分因此携带在波长λ2传播的光时钟信号OC。一个输出波导38被显示为此后被用作到光多路复用器24(见图5)的OC输入。剩下的OC信号可用于分布到位于相同芯片上的各种其它光学系统，这些信号保持频率锁定。有利地，分布频率锁定的光时钟的能力，消除了在光系统内的各种位置对CDR的需求。尽管没有明确示出，需要理解的是PAM光数据信号可以被传输通过类似的光分离装置，并被跨芯片分布到可能利用这个数据的各个光节点。
尽管本发明已经参考它的几个实施方式进行了描述，本领域的技术人员将认识到，在不背离所要求的发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。因此，本发明不限于附图中所显示和说明书中所描述的内容，而是仅由所附的权利要求所指出的内容限定。

Claims (10)

1.一种用于传输高速数据信号的光互连装置，所述装置包括：
传输部件，其与第一处理节点相关联，所述传输部件用于将电的高速数据信号转换成光数据信号；
光传输通道，其耦合到所述传输部件的输出端；以及
接收部件，其与第二处理节点相关联且被耦合到所述光传输通道的输出端，所述接收部件用于接收所述光数据信号，并将所接收的光数据信号再转换成初始的电的高速数据信号，其中
所述传输部件包括：
相位对准元件，其响应于数量为N的多个并行数据信号和电时钟信号以产生作为输出的多个并行的相位对准的数据信号；
第一光调制器，其响应于所述数量为N的多个并行的相位对准的数据信号和连续波(CW)光信号以产生脉冲幅度调制(PAM)的光数据信号，所述脉冲幅度调制(PAM)的光数据信号表示所述数量为N的多个并行的相位对准的数据信号；及
第二光调制器，其响应于所述电时钟信号和CW光信号以产生光时钟输出信号；以及
所述接收部件包括：
第一光/电(O/E)转换设备，其响应于所接收的PAM光数据信号以产生其电的形式；
第二O/E转换设备，其响应于所接收的光时钟信号以产生其电的形式；以及
A/D转换器，其响应于所述第一O/E转换设备和所述第二O/E转换设备的输出以从中恢复初始的数量为N的多个并行数据信号。
2.如权利要求1所述的光装置，其中所述传输部件的第一光调制器和第二光调制器分别包括第一Mach-Zehnder干涉仪和第二Mach-Zehnder干涉仪。
3.如权利要求2所述的光装置，其中所述第一Mach-Zehnder干涉仪包括多段式干涉仪。
4.如权利要求3所述的光装置，其中所述第一Mach-Zehnder干涉仪从数量为N的多个并行数据信号产生PAM-N2输出信号。
5.如权利要求1所述的光装置，其中
所述传输部件还包括：
第一光信号源，其运行在第一波长λ1且耦合到所述第一光调制器的输入端；
第二光信号源，其运行在第二波长λ2且耦合到所述第二光调制器的输入端；以及
光多路复用器，其用于将来自所述第一光调制器和所述第二光调制器的光输出信号耦合到单一的光输出信号路径上；以及
所述接收部件还包括：
光多路分离器，其用于将在波长λ1上传播的所述PAM数据信号与在波长λ2上传播的所述光时钟信号分离，并将各个信号耦合到分开的光信号路径中。
6.如权利要求1所述的光装置，其中
所述传输部件还包括：
光源，其运行在波长λ1；以及
光分路器，其将来自所述光源的输出的第一部分引导到所述第一光调制器的光输入端，和将来自所述光源的输出的第二部分引导到所述第二光调制器的光输入端；以及
所述光传输通道包括一对光纤，第一光纤支持所述PAM光数据信号的传播，第二光纤支持所述光时钟信号的传播。
7.如权利要求1所述的光装置，其中所述第二光调制器还包括光时钟分布装置，所述光时钟分布装置用于跨所述第一处理节点分散多个频率锁定的光时钟信号。
8.如权利要求7所述的光装置，其中所述光时钟分布装置包括耦合到所述第二光调制器的输出端的光分路器，其中所述光分路器包括多个分支波导，所述多个分支波导用于跨所述第一处理节点分散所述多个频率锁定的光时钟信号。
9.如权利要求7所述的光装置，其中所述第二光调制器还包括第二CW光输入信号源，一旦识别到所述初始CW源失效时，所述第二CW光输入信号源用作备用源。
10.如权利要求1所述的光装置，其中所述第一光调制器还包括一对CW光输入信号源，所述一对CW光输入信号源用于提供所述光信号到所述第一光调制器，其中一旦识别到所述一对CW光输入信号源中的第一CW光输入信号源失效时，所述一对CW光输入信号源中的第二CW光输入信号源被用作备用源。
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