CN105635861A - 基于微环谐振器的存储互连光网络架构及其通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于微环谐振器的存储互连光网络架构及其通信方法，网络架构包括自上而下依次设置的散热层，第二光层，第一光层，激光层以及电层；电层上设置若干组处理器核以及存储系统的Rank，光层上设置若干组光网络；电层与光层通过TSV线连接。通信方法包括将发射光波分配到每个处理器核组，处理器核选择相应通信波长；将需要发送的电信号转换成光信号，使光波携带所要发送信息，经过光网络传输发送到存储系统端；光信号解调为电信号，传输到存储系统的Rank中；响应信号返回时，耦合相应波长调制；处理器核端将光信号转换为电信号，再发送到处理器核。本发明降低了网络传输功耗，减少了访存的总平均功耗。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，具体为一种基于微环谐振器的存储互连光网络架构及其通信方法。
背景技术
存储系统，用于存储计算机中处理器核所使用的数据，包括存储模块和存储控制器。
Rank，工作于锁步模式的一组存储模块的集合。
存储互连，包括处理器核与存储系统通信的结构和机制。
现有存储互连结构采用电总线互连方式，处理器核访问存储模块需要通过片选总线、地址总线和数据总线分别传输相应电信号。存储控制器与Rank之间也是通过电总线结构连接。这种连接方式可以满足小型计算系统的需求，但随着大型计算系统的出现，处理器核的数目增加，现有电总线存储互连结构成为限制片上多核访存通信性能的瓶颈，具体反映在：
首先，在存储互连方面，由于处理器核与存储系统之间是电总线全互连结构，每个处理器核都需要数目与存储控制器数目相同的电互连线，当处理器核数量增加时，电互连线的数量也需要大量增加，且处理器核访存过程功耗大。其次，在访存时延方面，存储控制器与Rank之间是电总线互连结构，同一时刻存储控制器只能通过片选与一个Rank通信，完成一个处理器核访问存储系统的指令，处理器核访问存储系统的平均时延长。第三，在访存并行性方面，当系统中的处理器核数量较多时，同一时刻只有一个处理器核可以访问指定Rank，其他处理器核的访存指令需要排队等待，导致整个系统的访存并行性差。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于微环谐振器的存储互连光网络架构及其通信方法，针对解决电总线互连结构存储系统访问功耗大，多处理器核访问存储系统时延长，并行性差的问题。
为了实现上述目的，本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构采用的技术方案，包括自上而下依次设置的散热层，第二光层，第一光层，激光层以及电层；
所述的电层上设置有若干组处理器核以及存储系统的Rank，所述的第二光层和第一光层上均设置有若干组与处理器核位置对应的光网络；所述的第二光层包括从存储系统到核的光网络，第一光层包括从核到存储系统的光网络；所述的电层，第二光层和第一光层上均设置有处理器核端TSV接入点，第二光层和第一光层上设置有存储系统端TSV接入点；所述的电层分别与第二光层和第一光层通过TSV线连接。
所述电层上设有64个处理器核以及4个存储系统的Rank，64个处理器核被分为16组，每组4个处理器核使用同一个光网络与存储系统的Rank通信，每个处理器核与处理器核端TSV接入点之间设置有输入及输出两根数据线，通过TSV线对应连接第二光层和第一光层。
所述第二光层和第一光层上均设置有16个光网络，所述16个光网络被分4排，每排4个光网络，且每个光网络的位置与电层上每组处理器核对应。
所述第二光层每个光网络的输出端连接到处理器核端TSV接入点，每个光网络输入端连接到存储系统端TSV接入点；所述第一光层每个光网络的输入端连接到处理器核端TSV接入点，每个光网络输出端连接到存储系统端TSV接入点。
所述的光网络包括了四个输入端口、四个输出端口、四根在硅衬底上刻蚀的光波导和六个在硅衬底上刻蚀的微环谐振器；光网络的四个输入端口自下而上分别为输入端口I1、输入端口I2、输入端口I3和输入端口I4，分别与同组的处理器核对应连接；光网络的四个输出端口204自上而下分别为输出端口O2、输出端口O1、输出端口O4和输出端口O3，分别与存储系统的Rank对应连接，每组光网络的输出端口O2都连接存储系统的Rank0，每组光网络的输出端口O1都连接存储系统的Rank1，每组光网络的输出端口O4都连接存储系统的Rank2，每组光网络的输出端口O3都连接存储系统的Rank3；四根在硅衬底上刻蚀的光波导通过弯曲交叉排布，与六个在硅衬底上刻蚀的微环谐振器共同组成六个光平行开关结构，使不同波长光信号从四个输入端口分别到四个输出端口互不干扰。
所述的处理器核与存储系统的Rank之间使用不同的波长通信。
本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构的通信方法采用的技术方案为：
步骤1，激光源发射光波经过功率分配装置被分配到每个处理器核组，每个处理器核根据需要通信的Rank编号选择相应的通信波长，处理器核耦合相应波长的光波；
步骤2，将处理器核需要发送的电信号转换成光信号，使光波携带所要发送信息；
步骤3，携带信息的光信号经过光网络中光波导的传输发送到存储系统端，或者经过光网络中光波导的传输并且耦合之后发送到存储系统端；
步骤4，光信号通过解调转换为电信号，传输到存储系统的Rank中；
步骤5，存储系统在传输响应信号返回处理器核时，耦合相应的波长并进行调制；
步骤6，存储系统将光信号耦合到当前通信处理器核所在组的光网络进行传输，处理器核端经过解调，将光信号转换为电信号，最终将响应信号发送到处理器核。
优化地，通过微环谐振器进行耦合。
所述的光波通过调制器将电信号转换成光信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：光传输本身要比电传输的功耗小，通过将光传输中有光功率损耗的地方尽可能减少，从而降低总功耗。采用光互连技术并在光网络的设计中最大程度降低光网络中的传输功耗，从而减少了处理器核访存的总平均功耗。
进一步，本发明对光网络的设计，能够使微环谐振器的360度进行使用，使得微环谐振器的利用率提高，微环谐振器的数量大大减少，通信传输功耗减少。
进一步的，本发明由于采用光网络结构连接64个处理器核与4个Rank进行访存通信，消除了总线结构对系统性能的限制，降低了处理器核对存储系统的平均访存时延。
进一步的，本发明光网络由于采用七种波长进行光通信，64个处理器核能够互不干扰地与4个Rank进行光通信，提高了存储系统的访问并行性能。四根光波导用于传输处理器核与存储系统之间的光信号，同组的四个核使用两个光网络共八根波导，平均每个核两根光波导，较之电全互连结构，平均每个核四根电互连线，连线数量减少一半，功耗降低。
附图说明
图1(a)本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构整体结构剖面图；
图1(b)本发明光网络架构第二光层、第一光层、电层三维结构示意图；
图2本发明基于微环谐振器的存储互连光网络结构示意图；
图3(a)本发明光网络中光平行开关开状态耦合波长情况示意图；
图3(b)本发明光网络中光平行开关开状态不耦合波长情况示意图；
图3(c)本发明光网络中光平行开关状态示意图；
图3(d)本发明光网络中光平行开关360度耦合波长情况示意图；
图4本发明面向64核4Rank片上系统通信流程示意图；
图5(a)本发明仿真实验总功耗对比示意图；
图5(b)本发明仿真实验平均时延对比示意图；
图5(c)本发明仿真实验最大时延对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构包括4个输入端口、4个输出端口、4根在硅衬底上刻蚀的光波导和6个在硅衬底上刻蚀的无源类型的微环谐振器。光网络的4个输入端口自下而上分别为输入端口I1、输入端口I2、输入端口I3和输入端口I4，分别与同组的4个处理器核连接，系统中的64个处理器核被分为16组，4个输出端口自上而下分别为输出端口O2、输出端口O1、输出端口O4和输出端口O3，分别与存储系统的4个Rank连接。
本发明6个微环谐振器构成的6个平行开关用于光信号的耦合，将光信号传输到指定输出端口，6个微环谐振器采用相同的结构，不同的谐振波长，编号为1的微环谐振器的谐振波长为λ1，编号为2的微环谐振器的谐振波长为λ2，编号为3的微环谐振器的谐振波长为λ3，编号为4的微环谐振器的谐振波长为λ4，编号为5的微环谐振器的谐振波长为λ5，编号为6的微环谐振器的谐振波长为λ6，使用同一个光网络的4个核与4个Rank在进行通信时，共使用7种波长，分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7。
本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构6个微环谐振器均处于打开状态，每次耦合相同波长的光信号时会在微环谐振器中转弯180°，本发明网络设计中微环谐振器的两个180°转弯都会被使用，且两个转弯互不干扰，微环谐振器被充分使用，也使得光网络的设计中大量减少微环谐振器的数量，降低光信号在网络传输部分的功耗。
本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构，同组的4个核与4个Rank之间互不干扰的通信，片上系统中的64个核被分为16组，每组使用两个光网络，分别负责从核到Rank的通信与从Rank到核的通信，每个组的通信之间同样互不干扰。
本发明基于微环谐振器的存储互连光网络架构，4根光波导用于传输处理器核与存储系统之间的光信号，同组的4个核使用两个光网络共8根波导，平均每个核2根光波导，较之电全互连结构，平均每个核4根电互连线，连线数量减少一半，功耗降低。
本发明基于光网络的处理器核与存储系统的通信方法包括如下步骤：
步骤1，激光源发出的光波经过功率分配装置被分配到每个处理器核组，组内的4个处理器核根据需要通信的Rank编号选择相应通信波长，处理器核通过控制单元打开谐振波长与通信波长相同的微环谐振器，使其耦合相应波长的光波；
步骤2，光波经过调制器进行调制，调制器将处理器核需要发送的电信号转换成光信号，光波就携带了所要发送的信息；
步骤3，携带信息的光信号经过光网络中光波导的传输发送到存储系统端，或者经过光网络中光波导的传输以及相同波长的微环谐振器的耦合后发送到存储系统端；
步骤4，光信号通过解调器解调，将光信号转换为电信号，传输到存储系统中相应的Rank中进行一系列存储操作；
步骤5，存储系统在传输响应信号返回处理器核时，首先控制打开谐振波长与通信波长相同的微环谐振器，耦合相应的波长并进行调制；
步骤6，存储系统控制打开当前通信的处理器核所在组的微环谐振器，将光信号耦合到该组光网络进行传输，经过光波导的传输和微环谐振器的耦合，发送到处理器核端，经过解调器解调将光信号转换为电信号，最终将响应信号发送到处理器核。
参照图1(a)与图1(b)，本发明系统采用三维分层结构，自上而下包括散热层101、第二光层102、第一光层103、激光层104和电层105；电层上放置64个处理器核109、存储系统的4个Rank和处理器核端TSV接入点106，64个处理器核109被分为16组，每组4个核使用同一个光网络与存储系统进行通信，每个核与处理器核端TSV接入点106之间都有输入、输出两根连接线，分别对应连接到第二光层102和第一光层103的TSV接入点；第一光层103放置了16个光网络，每个光网络的位置与电层上每组处理器核对应，共放置4排，每排4个光网络，16个光网络全都负责从核到存储系统方向的光通信，每个光网络输入端连接到处理器核端TSV接入点106，输出端连接到存储系统端TSV接入点108，第一光层103与电层105对应接入点之间通过TSV线107连接，用于实现第一光层103与电层105之间的电连接；第二光层102同样放置了16个光网络，每个光网络的位置与电层105上每组处理器核对应，共放置4排，每排4个光网络，16个光网络全都负责从存储系统到核方向的光通信，每个光网络输入端连接到存储系统端TSV接入点108，输出端连接到处理器核端TSV接入点106，第二光层102与电层105对应接入点之间通过TSV线107连接，用于实现第二光层102与电层105之间的电连接。
参照图2，本发明光网络包括了4个输入端口203、4个输出端口204、4根在硅衬底上刻蚀的光波导202和6个在硅衬底上刻蚀的无源类型的微环谐振器201。
光网络的4个输入端口自下而上分别为输入端口I1、输入端口I2、输入端口I3和输入端口I4，分别与同组的处理器核1、处理器核2、处理器核3和处理器核4连接，系统中的64个处理器核被分为16组，每组的4个处理器核均按此方式与每组的光网络相连；光网络的4个输出端口自上而下分别为输出端口O2、输出端口O1、输出端口O4和输出端口O3，分别与存储系统的4个Rank连接，每组光网络的输出端口O2都连接存储系统的Rank0，每组光网络的输出端口O1都连接存储系统的Rank1，每组光网络的输出端口O4都连接存储系统的Rank2，每组光网络的输出端口O3都连接存储系统的Rank3。4根光波导202用于传输处理器核与存储系统之间的光信号，同组的4个核使用两个光网络共8根波导，平均每个核2根光波导，较之电全互连结构，平均每个核4根电互连线，连线数量减少一半，功耗降低。
光网络中6个微环谐振器201都进行了标号，标号为1的微环谐振器代表其谐振波长为λ1，编号为2的微环谐振器代表其谐振波长为λ2，每个标号都代表了微环谐振器的谐振波长；同组的4个处理器核通过使用不同的波长，使得光信号通过光网络中不同微环谐振器的耦合转向传输到不同的输出端口，从而传输的到对应的Rank中完成通信；从光网络4个输入端口到4个输出端口的十六种状态分别使用的波长和微环情况如表1.1所示：
表1.1十六种状态分析表
表1.1中有四种状态不需要微环谐振器进行耦合，光信号只需沿光波导传输就可到达目的端口，分别为输入1端口到输出2端口、输入2端口到输出1端口、输入3端口到输出4端口和输入4端口到输出3端口，这四种状态下规定使用波长为λ7的光波进行传输。
本发明光网络中光平行开关由两根平行光波导202和一个微环谐振器201构成，微环谐振器位于两根平行光波导之间，通过调整微环谐振器的状态控制光信号的传输路径，当微环谐振器处于打开状态，且光波导中的光信号301波长与微环谐振器的谐振波长相同时，光波导中的光信号被微环谐振器耦合，进入到另一根光波导中，光路如图3(a)所示；当微环谐振器处于打开状态，但光波导中的光信号302波长与微环谐振器的谐振波长不同时，光波导中的光信号继续在原波导中传输，光路如图3(b)所示；当微环谐振器处于关闭状态，无论光波导中的光信号波长与微环谐振器的谐振波长是否相同，光波导中的光信号都继续在原波导中传输，光路如图3(c)所示；本网络设计中六个微环谐振器时刻处于打开状态，且微环谐振器耦合谐振波长相同的光信号301时，微环谐振器两个180°转弯都会被使用到，光路如图3(d)所示，这两个光信号的耦合转弯互不干扰。
参照图4，本发明根据表1.1所示的十六种状态分析可以得知，四个核404与四个Rank407之间的通信使用不同的波长：核1连接到光网络408的输入端口1，使用波长λ1、λ3、λ5和λ7；核2连接到光网络408的输入端口2，使用波长λ2、λ4、λ5和λ7；核3连接到光网络408的输入端口3，使用波长λ1、λ2、λ6和λ7；核4连接到光网络408的输入端口4，使用波长λ3、λ4、λ6和λ7；在其他分组中，每个核使用的波长也与第一组中的四个核使用的波长一一对应，即每组中的核1都使用波长λ1、λ3、λ5和λ7，核2、核3、核4也分别使用相同的波长，但是同一组内的四个核使用的波长是不同的。第一组处理器核中的核1404与存储系统的Rank0407双向通信方法包括如下步骤：
步骤1，激光源401发出光波经功率分配装置402将光波分配到第一组，第一组的处理器核1404通过控制单元403打开谐振波长为λ7的微环谐振器，使其耦合波长为λ7的光波；
步骤2，光波通过调制器405调制，核1404要发送的电信号转换成光信号，光波就携带了所要发送的信息；
步骤3，光信号从光网络408的输入端口1进入，由于信号波长为λ7，所以光信号在光网络408中的传输不经过任何微环谐振器耦合，直接传输到输出端口2；
步骤4，光信号通过解调器406解调，将光信号转换为电信号，传输到存储系统中的Rank0407，进行一系列存储操作；
步骤5，存储系统Rank0在传输响应信号返回核1时，首先控制打开谐振波长为λ7的微环谐振器409，耦合波长为λ7的光波进行调制405；
步骤6，存储系统控制打开第一组的微环谐振器410，将光信号耦合到第一组光网络进行传输，在光网络中不经过任何微环谐振器的耦合后直接传输到输出端口，随后经过解调器406解调将光信号转换为电信号，最终发送到核1。
本发明仿真实验采用DRAMSim2仿真软件仿真了三种应用的真实流量(基于PARSEC评估标准)，对比各种流量在传统电总线互连结构下和新的片上光网络互连结构下传输功耗、时延等性能；图5(a)横坐标为三种不同应用，每种应用在电互连结构和光互连结构两种不同结构下的对比，纵坐标为总功耗/W，代表在两种互连结构下核与存储系统通信的最大功耗，通过对比计算光片上光网络结构下的整体功耗平均降低了86.25％；图5(b)横坐标为三种不同应用，每种应用有电互连结构和光互连结构两种不同结构下的对比，纵坐标为平均时延/ns，代表在两种互连结构下核与存储系统通信相同trace个数的平均时延，通过对比计算片上光网络结构下通信平均时延降低54.05％；图5(c)横坐标为三种不同应用，每种应用有电互连结构和光互连结构两种不同结构下的对比，纵坐标为最大时延/ns，代表在两种互连结构下核与存储系统通信相同trace个数时，某个trace完成一次核与存储完整通信产生的最大时延，通过对比计算片上光网络结构下通信最大时延降低47.90％。
Claims (9)
1.一种基于微环谐振器的存储互连光网络架构，其特征在于：包括自上而下依次设置的散热层(101)，第二光层(102)，第一光层(103)，激光层(104)以及电层(105)；
所述的电层(105)上设置有若干组处理器核(109)以及存储系统的Rank，所述的第二光层(102)和第一光层(103)上均设置有若干组与处理器核(109)位置对应的光网络；所述的第二光层(102)包括从存储系统到核的光网络，第一光层(103)包括从核到存储系统的光网络；所述的电层(105)，第二光层(102)和第一光层(103)上均设置有处理器核端TSV接入点(106)，第二光层(102)和第一光层(103)上设置有存储系统端TSV接入点(108)；所述的电层(105)分别与第二光层(102)和第一光层(103)通过TSV线(107)连接。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的存储互连光网络架构，其特征在于：所述电层(105)上设置有64个处理器核(109)以及4个存储系统的Rank，所述64个处理器核(109)被分为16组，且每组4个处理器核(109)使用同一个光网络与存储系统的Rank通信，所述的每个处理器核(109)与处理器核端TSV接入点(106)之间都设置有输入及输出两根数据线，通过TSV线(107)对应连接第二光层(102)和第一光层(103)。
3.根据权利要求2所述的基于微环谐振器的存储互连光网络架构，其特征在于：所述第二光层(102)和第一光层(103)上均设置有16个光网络，所述16个光网络被分4排，每排4个光网络，且每个光网络的位置与电层上每组处理器核对应。
4.根据权利要求1或3所述的基于微环谐振器的存储互连光网络架构，其特征在于：所述第二光层(102)每个光网络的输出端连接到处理器核端TSV接入点(106)，每个光网络输入端连接到存储系统端TSV接入点(108)；所述第一光层(103)每个光网络的输入端连接到处理器核端TSV接入点(106)，每个光网络输出端连接到存储系统端TSV接入点(108)。
5.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的存储互连光网络架构，其特征在于：所述的光网络包括了四个输入端口(203)、四个输出端口(204)、四根在硅衬底上刻蚀的光波导(202)和六个在硅衬底上刻蚀的微环谐振器(201)；光网络的四个输入端口(203)自下而上分别为输入端口I1、输入端口I2、输入端口I3和输入端口I4，分别与同组的处理器核对应连接；光网络的四个输出端口(204)自上而下分别为输出端口O2、输出端口O1、输出端口O4和输出端口O3，分别与存储系统的Rank对应连接，每组光网络的输出端口O2都连接存储系统的Rank0，每组光网络的输出端口O1都连接存储系统的Rank1，每组光网络的输出端口O4都连接存储系统的Rank2，每组光网络的输出端口O3都连接存储系统的Rank3；四根在硅衬底上刻蚀的光波导(202)通过弯曲交叉排布，与六个在硅衬底上刻蚀的微环谐振器(201)共同组成六个光平行开关结构，使不同波长光信号从四个输入端口分别到四个输出端口互不干扰。
6.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的存储互连光网络架构，其特征在于：所述的处理器核(109)与存储系统的Rank之间使用不同的波长通信。
7.一种权利要求1所述基于微环谐振器的存储互连光网络架构的通信方法，其特征在于：
步骤1，激光源发射光波经过功率分配装置被分配到每个处理器核组，每个处理器核(109)根据需要通信的Rank编号选择相应的通信波长，处理器核(109)耦合相应波长的光波；
步骤2，将处理器核需要发送的电信号转换成光信号，使光波携带所要发送信息；
步骤3，携带信息的光信号经过光网络中光波导的传输发送到存储系统端，或者经过光网络中光波导的传输并且耦合之后发送到存储系统端；
步骤4，光信号通过解调转换为电信号，传输到存储系统的Rank中；
步骤5，存储系统在传输响应信号返回处理器核时，耦合相应的波长并进行调制；
步骤6，存储系统将光信号耦合到当前通信处理器核(109)所在组的光网络进行传输，处理器核(109)端经过解调，将光信号转换为电信号，最终将响应信号发送到处理器核(109)。
8.根据权利要求7所述基于微环谐振器的存储互连光网络架构的通信方法，其特征在于：通过微环谐振器(201)进行耦合。
9.根据权利要求7所述基于微环谐振器的存储互连光网络架构的通信方法，其特征在于：所述的光波通过调制器将电信号转换成光信号。
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