CN107667537B - 具有缓冲的交换矩阵的宏交换机 - Google Patents

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Abstract

描述了宏交换机。该宏交换机包括面对的集成电路，其中的一个集成电路实现传送光学信号的光波导，并且其中的另一个集成电路实现多个交换机站点中的每个交换机站点处的存储缓冲区、控制逻辑和电气交换机。此外，宏交换机具有交换机站点之间的完全连接的拓扑。此外，每个交换机站点处的存储缓冲区提供分组缓冲和拥塞缓解，而不会造成过度的调度/路由复杂性。因此，可以将宏交换机扩展成任意大的交换矩阵(即，任意数量的交换机站点和/或交换级)。

Description

具有缓冲的交换矩阵的宏交换机
技术领域
本公开涉及用于传递光学信号的技术。更具体地，本公开涉及具有缓冲的交换矩阵的光学交叉点宏交换机。
背景技术
多级Clos分组交换网络被广泛用于计算和电信交换和路由系统中，以提供这些系统中的许多不同的端点或端口之间的共享的互连。具体而言，这些分组交换网络通常被实现为可以扩展到数千个端口的空分交换机。然而，由于输入端口和输出端口竞争，因此即使在非阻塞Clos网络中，当这样的系统被放大时也常常存在效率损失。通过在每个级内使用缓冲的交换节点使得所有的中间节点都可以存储分组，可以消除这种竞争，从而减轻线头(head-of-line)阻塞和/或输出端口阻塞。
虽然制造缓冲的交换机通常是困难且昂贵的，并且可能难以扩展这样的体系架构，但是在交换机之前和/或之后使用分组缓冲区是已经被证明的。前者通常被称为“输入排队”或“虚拟输出排队”，并且它通常消除了线头阻塞，使得可以从具体输入端口路由的任何分组不必在队列中等待去往其它目的地端口的其它分组首先被路由。因此，这种方法可以减轻输入端口处的拥塞。此外，在后一种技术中，在交换机之后使用队列来减少由于输出端口拥塞而导致的网络内的拥塞。这种存储缓冲区也可以在网络之前和/或之后使用，以便减少线头阻塞，以及减少由于输出端口阻塞而导致的交换机竞争。然而，网络的效率通常是有限的，并且可能需要仔细(且相对复杂)的调度技术来确保网络不会过载或被推过其临界负载而进入到低效的操作体制中。
已知在交换机的所有级处使用存储缓冲区可以导致100％的交换机利用率。然而，已经证明难以实现这样的交换机，这是因为每个级可能不仅具有路由和转发功能，而且还可能具有存储缓冲区以及到在前和在后的交换/路由级的丰富连接性。此外，在每个级处对存储器的需求可能会与每级的交换机数量以及可以实现的级的数量直接竞争。因此，在交换机中的所有级处使用存储缓冲区可能会制约交换机的可扩展性。
由于这些挑战，纯粹的空分交换通常在交换网络的级内的分组之间引入太多的竞争，并且会削弱整体系统性能。缓冲区存储器有时在交换机之前或之后使用，从而以可扩展性和分组路由/调度复杂性为代价来减轻这种阻塞。此外，由于VLSI技术的限制，全缓冲交换机通常不是可扩展的或者不可实际实现。
研究人员正在研究使用光学互连和光子交换来解决这些可扩展性限制中的一些限制。例如，VLSI交换机中的光学互连可以提供高速通信，并且可以允许聚合大的Clos分组交换网络(例如，通过将较小的电气交换机与光纤链路连接)。虽然这种体系架构可能有助于实现更大的Clos分组交换网络，但是它通常不会改变先前讨论的交换竞争的性质。事实上，所产生的Clos分组交换网络通常具有全部相同的拥塞和低效率，只是规模更大。
可替代地，光子交换(或光学交换)产品可以通过“透明的”光学交换机来排除电气交换级，在该光学交换机中，经由从任意输入端口到任意输出端口的光束来发送数据分组。虽然这些光子交换产品的传输速度和延迟低，但是输入端口和输出端口竞争问题(并且因此产生的低效率)仍然存在。
因此，所需要的是没有上述问题的交换机。
发明内容
本公开的一个实施例提供了包括第一集成电路的宏交换机。该第一集成电路具有表面并且包括：第一交换机站点，其中第一交换机站点中的每个第一交换机站点包括第一控制逻辑和第一存储缓冲区；以及第二交换机站点，其中第二交换机站点中的每个第二交换机站点包括第二控制逻辑和第二存储缓冲区。此外，宏交换机包括第二集成电路，第二集成电路具有面向所述表面的第二表面。第二集成电路包括：可以耦合到光源的光学端口；光学地耦合到光学端口和第一交换机站点的光波导；以及光学地耦合到第一交换机站点和第二交换机站点的第二光波导。注意的是，宏交换机具有第一交换机站点和第二交换机站点之间的完全连接的拓扑。
例如，宏交换机可以包括交叉点交换机。此外，宏交换机可以是非阻塞的。
在操作期间，给定第一交换机站点处的第一控制逻辑可以确定用于该给定第一交换机站点的给定第一交换调度，并且给定第二交换机站点处的第二控制逻辑可以确定用于该给定第二交换机站点的给定第二交换调度。注意的是，给定第一交换调度可以独立于用于第一交换机站点和第二交换机站点的其它交换调度而确定，并且给定第二交换调度可以独立于用于第一交换机站点和第二交换机站点的其它交换调度而确定。
此外，在给定光学端口和给定第一交换机站点之间的光波导可以包括在操作期间将信息从给定光学端口传送到给定第一交换机站点的一个光波导以及在操作期间将信息从给定第一交换机站点传送到给定光学端口的另一个光波导。
另外，在给定第一交换机站点和给定第二交换机站点之间的第二光波导可以包括在操作期间将信息从给定第一交换机站点传送到给定第二交换机站点的一个光波导和在操作期间将信息从给定第二交换机站点传送到给定第一交换机站点的另一个光波导。
注意的是，光学耦合可以涉及：衍射光栅、镜和/或光学邻近通信。
此外，给定第一交换机站点可以包括在操作期间将输入光学信号转换成输入电气信号并将输出电气信号转换成输出光学信号的收发器。此外，给定第二交换机站点可以包括在操作期间将第二输入光学信号转换成第二输入电气信号并将第二输出电气信号转换成第二输出光学信号的第二收发器。
在一些实施例中，第二集成电路包括：基板；布置在基板上的掩埋氧化物(BOX)层；以及布置在BOX层上的半导体层，其中光波导和第二光波导至少部分地在半导体层中实现。例如，基板、BOX层和半导体层可以构成绝缘体上硅技术。
另一个实施例提供了一种系统，该系统包括：处理器；存储程序模块的存储器；以及宏交换机。在操作期间，程序模块由处理器执行。
另一个实施例提供了用于使用宏交换机来交换光学信号的方法。在操作期间，宏交换机在宏交换机中的第二集成电路中的光波导中传送光学信号。然后，将来自光波导的光学信号光学地耦合到宏交换机中的第一集成电路中的交换机站点以及光学地耦合来自交换机站点的光学信号，其中给定交换机站点包括控制逻辑和存储缓冲区，并且其中控制逻辑独立于宏交换机中的其它交换机站点而确定交换调度。此外，在给定交换机站点处，宏交换机进行以下操作：将光学信号转换成电气信号、执行交换、并且将电气信号转换成光学信号，其中电气信号被选择性地存储在存储缓冲区中以避免宏交换机中的竞争。
提供本发明内容仅仅是为了示出一些示例性实施例的目的，以便提供对本文描述的主题的一些方面的基本理解。因此，可以理解的是，上述特征仅仅是示例，并且不应当被解释为以任何方式缩小本文描述的主题的范围或精神。从以下具体实施方式、附图说明和权利要求中，本文描述的主题的其它特征、方面和优点将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本公开的实施例的宏交换机的顶视图的框图。
图2是示出根据本公开的实施例的图1的宏交换机的侧视图的框图。
图3是示出根据本公开的实施例的图1的宏交换机中的交换机站点的布局的框图。
图4是示出根据本公开的实施例的图1的宏交换机中的集成电路的框图。
图5是示出根据本公开的实施例的包括图1的宏交换机的系统的框图。
图6是示出根据本公开的实施例的用于使用宏交换机来交换光学信号的方法的流程图。
注意的是，在整个附图中，相似的标号指代对应的部分。此外，相同部分的多个实例由通过短划线与实例编号分离的公共前缀来指示。
具体实施方式
描述了宏交换机、包括宏交换机的系统以及使用宏交换机来交换光学信号的技术的实施例。宏交换机可以包括面对的集成电路，其中的一个集成电路实现传送光学信号的光波导，并且其中的另一个集成电路实现多个交换机站点中的每个交换机站点处的存储缓冲区、控制逻辑和电气交换机。此外，宏交换机可以具有交换机站点之间的完全连接的拓扑。此外，每个交换机站点处的存储缓冲区提供分组缓冲和拥塞缓解，而不会造成过度的调度/路由复杂性。
因此，宏交换机可以被扩展成任意大的交换矩阵(即，任意数量的交换机站点和/或交换级)。例如，宏交换机可以具有4096×4096的交换矩阵(其比现有的光子交换机大6,700倍)。此外，宏交换机可以具有小的覆盖区(footprint)和提高的交换性能。具体而言，宏交换机可以提供低功率、高带宽、非阻塞电-光片上交换机。
在下面的讨论中，折叠的Clos(胖树)分组交换网络被用作宏交换机的示意。然而，本交换技术可以与各种交换机设计和体系架构一起使用。
我们现在描述宏交换机的实施例。图1呈现了示出具有集成电路110和112的宏交换机100的顶视图的框图。集成电路110可以包括：多个交换机站点114(其有时被称为“叶交换机站点”)，每个交换机站点114包括控制逻辑(C.L.)116和存储缓冲区(M.B.)118的实例或者与这些实例相关联；以及，多个交换机站点120(有时被称为“主干交换机站点”)，每个交换机站点120包括控制逻辑(C.L.)122和存储缓冲区(M.B.)124的实例或与这些实例相关联。此外，集成电路112可以包括光波导126和128。这些光波导可以光学地耦合光学端口(O.P.)130(光学端口130可以被光学地耦合到光纤或附加的光波导，并且更一般地光学地耦合到光学信号的源和汇)和交换机站点114。此外，光波导128可以光学地耦合交换机站点114和120。
图2呈现了示出宏交换机100的侧视图的框图，如图2所示，集成电路110和112具有彼此面对的表面200和202。图1中的交换机站点114中的给定交换机站点(诸如交换机站点114-1)可以通过图1中的光波导126中的至少一个光波导(诸如图2中的光波导126-1)光学地耦合到图1中的光学端口130中的一个给定光学端口(诸如光学端口130-1)。例如，可以存在在光学端口130-1和交换机站点114-1之间传送光学信号的一个光波导，以及在交换机站点114-1和光学端口130-1之间传送光学信号的另一个光波导。因此，光波导126和128(图1)可以单向地传送光学信号。(然而，在其它实施例中，图1中的光波导126和128双向地传送光学信号)。
输入光学信号可以通过光学耦合器从集成电路112光学地耦合到集成电路110。例如，使用光波导126-1传送的输入光学信号可以通过光学耦合器(O.C.)210-1光学地耦合到交换机站点114-1。该光学耦合器可以包括衍射光栅和/或镜。在一些实施例中，光学耦合涉及光学邻近通信(optical proximity communication)，其中集成电路110和112之间的垂直间隔小于在集成电路110和112之间光学地耦合的光学信号的一个或多个载波波长，或与其在相同的量级。
此外，在交换机站点114(图1)处，输入光学信号可以由收发器转换成电气信号。例如，来自光学耦合器210-1的输入光学信号可以被收发器(TR.)212-1转换成电气信号。如下面参考图3进一步描述的，与该电气信号相关联的一个或多个分组可以由控制逻辑116(图1)的实例处理，并且可以选择性地存储在存储缓冲区118(图1)的实例中以避免宏交换机100中的竞争。
当宏交换机100(例如，基于交换机站点114-1的交换调度)准备好用于特定分组时，控制逻辑116(图1)的实例可以进行以下操作：设置交换机站点114-1处的交换机(诸如图1中的交换机(SW.)132中的交换机132-1)的适当的路由或交换状态；可选地访问存储缓冲区118(图1)的实例中的分组；以及，输出相关联的电气信号。该电气信号可以由收发器212-2转换成光学信号。
此外，该光学信号可以通过光学耦合器210-2从集成电路110光学地耦合到图1中的光波导128中的至少一个光波导(诸如图2中的光波导128-1)中。然后，光波导128-1可以将光学信号传送到图1中的交换机站点120中的给定交换机站点(诸如交换机站点120-1)。
接下来，可以通过光学耦合器210-3将光学信号从集成电路112光学地耦合到交换机站点120-1。此外，在交换机站点120-1处，光学信号可以被收发器212-3转换成电气信号。如下面参考图3进一步描述的，与该电气信号相关联的一个或多个分组可以由控制逻辑122(图1)的实例处理并且可以选择性地存储在存储缓冲区124(图1)的实例中以避免宏交换机100中的竞争。
当宏交换机100(例如，基于交换机站点120-1的交换调度)准备好用于特定分组时，控制逻辑122(图1)的实例可以进行以下操作：设置交换机站点120-1处的交换机(诸如图1中的交换机(SW.)134中的交换机134-1)的适当的路由或交换状态；可选地访问存储缓冲区124(图1)的实例中的分组；以及，输出相关联的电气信号。该电气信号可以由收发器212-4转换成光学信号。
此外，该光学信号可以通过光学耦合器210-4从集成电路110光学地耦合到图1中的光波导128中的至少一个光波导(该至少一个光波导可以与光波导128-1不同或者是除光波导128-1以外的光波导)中。
当光学信号被传送到交换机站点114(图1)中的另一个交换机站点时，上述操作可以随后被重复，其中它将最终被路由作为到光学端口130(图1)中的一个光学端口的输出光学信号。如前所述，通常从交换机站点120-1到图1中的光学端口130中的一个光学端口的返回路径可以涉及光波导126和128中的不同光波导，以及图1中的交换机站点114中的不同交换机站点。
返回参考图1，交换机站点114中的给定交换机站点处的控制逻辑116的实例可以确定用于这个(本地)交换机站点的给定交换调度，并且交换机站点120中的给定交换机站点处的控制逻辑122的实例可以确定用于这个(本地)交换机站点的给定交换调度。注意的是，可以彼此独立地确定交换调度(即，独立于宏交换机100中的任何其它交换调度)。
在一些实施例中，宏交换机100提供交换机站点114和120之间的完全连接的拓扑。例如，宏交换机100可以包括交叉点交换机，该交叉点交换机可以支持交换机站点114和120之间的一对多连接性或者甚至全部对全部(全网状(full-mesh))连接性。(注意的是，在宏交换机100中光波导126和128可以布局在同心圆中以避免光波导交叉)。此外，通过使用存储缓冲区118和124，宏交换机100可以是非阻塞的，并且因此可以提供高吞吐量。
在示例性实施例中，宏交换机被用在分布式计算环境(诸如企业数据中心或现代超级计算机)中。在这样的计算环境中，计算节点之间的通信可能是带宽和延迟二者的瓶颈。为了使延迟和拥塞最小化，经常采用非阻塞网络配置，诸如具有完全对分带宽的折叠的Clos(胖树)网络。
然而，对于具有低局部性(locality)的应用(诸如在许多数据中心应用中出现的那些应用)，为了构建在其中网络带宽不制约性能的系统，网络交换可能是整个系统功耗的相当大的组成部分或者甚至是主要组成部分。
现代分布式计算环境通常使用电子交换机，诸如现有的Infiniband(无限频带)电子交换机。例如，现有的Infiniband电子交换机可以提供具有130Tbps的交换能力(如下面进一步描述的，这可以近似地等于宏交换机100的一些实施例的交换容量)的完全非阻塞对分带宽。可替代地，研究人员正在研究基于各种交换技术(诸如MEMS、声-光、磁-光等)的光子交换，以将光学输入引导至光学输出。例如，已经证明了能够将50个输入端口交换到50个输出端口的基于MEMS的硅光子交换机。然而，这比宏交换机100小几个数量级，并且基于MEMS的硅光子交换机通常具有比在宏交换机100中使用的电-光交换机站点的有效交换速度慢2-3个数量级的亚微秒交换时间。
宏交换机100可以使用：在任何两个交换机站点之间提供直接的点对点连接性的硅光子链路(诸如光波导)；在每个交换机站点处的用于构建任意大的交换矩阵(即，每级任意数量的交换机以及任意数量的级)的交换节点；以及在每个交换机站点处的用于提供分组缓冲和拥塞缓解而不会造成过度的调度/路由复杂性的存储缓冲区。结果可能是低功耗、高带宽、非阻塞的电-光片上交换机。例如，能够将4096个输入交换到4096个输出、具有131Tbps交换能力的宏交换机可以放置在单个20×20厘米的硅基板上，其相对于常规系统具有11倍的功率节省。注意的是，将存储器放置在交换模块中的能力可以显著提高宏交换机100的性能。
具体而言，宏交换机100可以包括：在每个交换机站点处的交换和存储器；光子点对点互连；以及，跨交换机站点的输入端口和输出端口的逻辑分布。此外，每个交换机站点处的控制逻辑(诸如处理器或逻辑电路)可以进行以下操作：检查每个传入分组；查看分组目的地；基于路由信息确定将分组发送到哪里；确定何时发送分组；在过渡时期(interim)选择性地将分组存储在本地存储器中；以及，当准备好发送时，基于路由表信息选择适当的传出光子链路。
在一些实施例中，使用硅光子来实现点对点互连，并且该点对点互连采用波分复用和嵌入式光波导。此外，交换机站点处的存储缓冲区可以使用各种类型的存储器中的一种或多种，诸如：DRAM、SRAM、EEPROM、闪存、另一种类型的非易失性存储器和/或另一种类型的易失性存储器。
注意的是，宏交换机100可以使用电子和硅光子的混合来实现高带宽，同时保持低功率成本。具体而言，宏交换机100可以使用通过光波导光学地连接的交换机站点的片上网络。与现有的Infiniband电子交换机(其与出站光纤连接结合可以具有9.16kW的功耗)对比，宏交换机100(与出站光纤连接结合)针对相等的交换能力可以具有835W的功耗(这小了11倍)。另外，可以使用单个基板来实现宏交换机100，而现有的Infiniband电子交换机可能需要重达几乎半公吨(496kg)的28U机架。
宏交换机的示例性实施例可以使用边长20cm的正方形硅基板来实现。因此，该宏交换机的周长可以总共为800mm。利用估计的300μm的有效光纤间距，这可以允许沿着外周连接大约总共2500个光纤(在芯片的角部留下大约6mm的缓冲区)。这些光纤中的826个可以用于向宏交换机的内部光波导提供外部激光功率。在剩余的光纤中，1536个可以用于提供512个输入/输出光纤对，每对的第三个光纤为输出光纤提供外部激光功率。此外，输入/输出光纤中的每一个可以以每载波波长16Gbps来传送或承载8个载波波长，总共4096个输入/输出载波波长对。对于每个宏交换机，这可以提供总共65.5Tbps的输入带宽加上65.5Tbps的输出带宽。
返回参考图1。宏交换机100可以具有折叠的Clos(胖树)内部连接性。(注意的是，图1旨在绘出宏交换机100的功能的框图，而不是实际的物理布局)。具体而言，宏交换机100的内部结构可以包括与硅光子光波导连接的67个交换机站点(包括43个叶子交换机站点和24个主干交换机站点)。光学邻近通信可以将交换机站点光学地耦合到集成电路112中的路由光学链路的光学层，以用于内部光波导以及用于外部光纤二者。如前所述，片上硅光子互连网络的功率可以由通过光纤连接到宏交换机的边的离开宏交换机(off-macro-switch)的激光器提供。
此外，内部宏交换机拓扑可以使用交换机站点之间的折叠的Clos(胖树)来提供非阻塞完全对分带宽。在一些实施例中，这些交换机站点中的任何两个交换机站点之间的每个连接是双向的，在每个方向上具有指定数量的光波导和载波波长。例如，宏交换机可以包括：到16个光纤的16个光学端口，每个光纤传送128个载波波长；在光学端口和叶子交换机站点之间的每个方向上的43个光波导，其中每个光波导传送四个载波波长(总共192个载波波长)；以及在叶子交换机站点和主干交换机站点之间的每个方向上的192个光波导，其中每个光波导传送1个载波波长(再一次，总共192个载波波长)。因此，每个叶子交换机站点和每个主干交换机站点可以连接多达192个双向载波波长对。
图3呈现了示出宏交换机100(图1和图2)中的交换机站点300的布局的框图。该交换机站点可以包括192个光学串行器/解串行器(SERDES)，每个双向载波波长对有一个光学串行器/解串行器。此外，交换机站点300可以包括发送器(Tx)路由或控制逻辑，该发送器(Tx)路由或控制逻辑可以检查每个传出消息或分组的目的地，并且可以基于路由表来选择传出载波波长。一旦选择了载波波长，就可以将消息发送到其队列，并且串行器可以基于消息比特或数据开始对载波波长进行调制。
此外，交换机站点300可以包括接收器(Rx)路由或控制逻辑，该接收器(Rx)路由或控制逻辑可以进行以下操作：检查每个传入消息或分组的目的地、将消息复制到输入/输出(I/O)暂存器(scratchpad)中、以及将消息中的信息复制到用于发送器路由逻辑的队列中。
注意的是，交换机站点300处的路由(RTG)表可以提供目的地站点标识符和一个或多个载波波长之间的映射，其中该一个或多个载波波长与该目的地相关联并且被用于将消息或分组传送到该目的地。另外，输入/输出暂存器可以是为消息提供可直接寻址的存储的、基于SRAM的暂存器。例如，输入/输出暂存器可以是3MB。为了提供高吞吐量，输入/输出暂存器可以被组织成12个存储体(bank)，其中每个存储体可以独立地向接收器和发送器多路复用器服务数据。(注意的是，存储体可以以完全流水线的方式被同时访问。)
此外，交换机站点300可以包括串行器/解串器和输入/输出暂存器之间的输入和输出交叉开关(crossbar)。
在示例性实施例中，估计宏交换机中的每个交换机站点占据大约20mm2并且消耗低于8W。
为了使内部交换网络是非阻塞的，每个叶子交换机站点可以具有连接到外部光纤的96个双向载波波长对，以及连接到主干交换机站点的96个双向载波波长对。由于宏交换机的外周可以具有总共4096个双向载波波长对，因此可能需要总共43个叶子交换机站点来连接到外部光纤连接。(注意的是，这43个叶子交换机站点(每个具有96个外部双向载波波长对)可以连接到多达4128个双向载波波长对)。
此外，为了提供非阻塞完全对分带宽，每个叶子交换机站点的(在每个方向上的)剩余的96个波长可以跨所有的主干交换机站点分布。此外，每个主干站点可以让(每方向)包含或传送四个载波波长的一个光波导连接到每个叶子站点。由于主干交换机站点在一个方向上可以具有192个波长的最大连接性，因此宏交换机可能需要总共24个主干交换机来以非阻塞完全对分带宽配置连接所有叶子交换机。此外，由于通过每个交换机站点的最大总流量可以是384GB/s，并且假设每个交换机站点以1GHz的标称频率操作，因此每个交换机站点可能需要具有12个存储体(256KB/存储体)的3MB输入/输出暂存器。
注意的是，在内部连接交换机站点所需要的光波导的总数量可能大约为用于宏交换机的数量的一半。此外，每个宏交换机的总功耗(包括内部光波导所需功率但不包括传出光纤所需功率)可能大约为759W。如果包括10％的附加功率以用于冷却，则每个宏交换机的功耗大约为835W。
宏交换机设计中的一个考虑是用于为光子链路供电的激光源的位置。这些激光源可以放置在宏交换机之外，或者作为片上激光器放置在宏交换机内。当使用片上激光器时，可以获得附加的功率节省。具体而言，因为在任何给定时刻处通常仅使用宏交换机上的点对点链路的子集(这是由于完全连接的点对点体系架构)，所以有可能对于每个N信道波分复用链路供给一组M个可调谐激光器(其中M小于N)，以通过调谐到正确的一组载波波长来向M个链路的任何任意子集供电。链路可以几乎被完全供给，使得M几乎等于N(即，在任何给定时间点，可调谐激光器输出的数量可能足以为几乎所有链路供电)，或者通常链路被优化地供给，使得可调谐激光器输出的数量M被选择为使得激光器(并且因此功率)利用率被优化。注意的是，可能存在与将M个信道调谐到必要的载波波长相关联的调谐延迟(例如，小于100ns)。通常，这种方法可以允许用功率效率来换取可用带宽。
如先前所述，宏交换机可以包括在集成电路(诸如光子集成电路)中实现的光波导。图4呈现了示出集成电路400的框图。该集成电路包括：基板410、布置在基板410上的掩埋氧化物(BOX)层412、以及布置在掩埋氧化物层412上的半导体层414。光学部件(诸如光波导)可以至少部分地包括在掩埋氧化物层412和半导体层414中。在示例性实施例中，基板410和半导体层414包括硅，并且掩埋氧化物层412包括二氧化硅。因此，基板410、掩埋氧化物层412和半导体层414可以构成绝缘体上硅技术。
此外，半导体层414可以具有小于1μm(诸如0.2-0.3μm)的厚度416。此外，掩埋氧化物层412可以具有在0.3μm和3μm之间(诸如0.8μm)的厚度418。注意的是，光波导的宽度可以是400-3000nm。在示例性实施例中，光波导传送具有在1.1-1.7μm之间的波长的光学信号(即，光)，诸如具有1.3μm或1.55μm的基本波长的光学信号。
宏交换机100(图1和图2)可以包括在系统和/或电子设备中。这在图5中示出，图5呈现了示出包括宏交换机100的系统500的框图。在一些实施例中，系统500包括(具有一个或多个处理器的)处理子系统510和(具有存储器的)存储器子系统512。
通常，集成电路和系统500的功能可以用硬件和/或软件来实现。因此，系统500可以包括存储在存储器子系统512(诸如DRAM或另一种类型的易失性计算机可读存储器或非易失性计算机可读存储器)中的一个或多个程序模块或指令集，在操作期间，这一个或多个程序模块或指令集可以由处理子系统510执行。注意的是，一个或多个计算机程序可以构成计算机程序机制。此外，存储器子系统512中的各个模块中的指令可以用高级过程语言、面向对象的编程语言和/或用汇编语言或机器语言来实现。注意的是，编程语言可以被编译或解释(例如，是可配置的或已配置的)以由处理子系统执行。
系统500中的部件可以通过信号线、链路或总线来耦合。这些连接可以包括信号和/或数据的电气通信、光学通信或电-光通信。此外，在前面的实施例中，一些部件被示出为彼此直接连接，而其它部件被示出为经由中间部件连接。在每种情况下，互连或“耦合”的方法在两个或更多个电路节点或终端之间建立某种期望的通信。如本领域技术人员将理解的，这种耦合通常可以使用若干种电路配置来完成；例如，可以使用AC耦合和/或DC耦合。
在一些实施例中，这些电路、部件和设备中的功能可以用以下中的一个或多个来实现：专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或一个或多个数字信号处理器(DSP)。此外，如本领域中已知的，前述实施例中的功能可以更多地用硬件和更少地用软件来实现，或者可以更少地用硬件和更多地用软件来实现。通常，系统500可以位于一个位置处或者可以分布在多个地理上分散的位置。
系统500可以包括：VLSI电路、交换机、集线器(hub)、桥接器、路由器、通信系统(诸如波分复用通信系统)、存储区域网络、数据中心、网络(诸如局域网)和/或计算机系统(诸如多核处理器计算机系统)。此外，计算机系统可以包括但不限于：服务器(诸如多插槽、多机架服务器)、膝上型计算机、通信设备或系统、个人计算机、工作站、大型机计算机、刀片计算机、企业计算机、数据中心、平板计算机、超级计算机、网络附连存储(NAS)系统、存储区域网络(SAN)系统、媒体播放器(诸如MP3播放器)、家用电器、亚笔记本/上网本、平板计算机、智能电话、蜂窝电话、网络电器、机顶盒、个人数字助理(PDA)、玩具、控制器、数字信号处理器、游戏控制台、设备控制器、电器内的计算引擎、消费电子设备、便携式计算设备或便携式电子设备、个人管理器和/或另一种电子设备。在一些实施例中，宏交换机100和/或系统500执行交换机、集线器、桥接器和/或路由器的功能。
此外，宏交换机100和/或系统500的实施例可以包括更少的部件或附加的部件。虽然这些实施例被示出为具有多个离散的项目，但是这些光学部件、集成电路和系统旨在是可能存在的各种特征的功能描述，而不是本文描述的实施例的结构示意图。因此，在这些实施例中，两个或更多个部件可以被组合成单个部件，和/或一个或多个部件的位置可以被改变。另外，如本领域中已知的，宏交换机100和/或系统500的前述实施例中的功能可以更多地用硬件和更少地用软件来实现，或者更少地用硬件和更多地用软件来实现。
虽然已经用特定的元素和复合物示出了前述实施例，但是如本领域技术人员已知的，可以使用各种材料和组合物(包括化学计量的组合物和非化学计量的组合物)。因此，虽然在前述实施例中示出了硅光波导，但是如本领域技术人员已知的，交换技术可以与其它材料一起使用。此外，半导体层可以包括多晶硅或非晶硅。此外，宏交换机中的材料和复合物可以使用各种处理技术来制造，包括：蒸发、溅射、分子束外延、化学气相沉积、湿蚀刻或干蚀刻(诸如光刻或直写光刻)、抛光等。更一般地，可以使用增材处理(即，材料沉积)和/或减材处理(即，材料去除)来定义宏交换机100中的部件，并且这些部件可以使用各种材料来制造，包括：半导体、金属、玻璃、蓝宝石、二氧化硅、有机材料、无机材料、树脂和/或聚合物等。另外，可以在宏交换机100中或与宏交换机100结合使用各种光学部件。
我们现在描述方法的实施例。图6呈现了示出用于使用宏交换机(诸如宏交换机100(图1和图2))来交换光学信号的方法600的流程图。在操作期间，宏交换机在宏交换机中的第二集成电路中的光波导中传送光学信号(操作610)。然后，将来自光波导的光学信号光学地耦合到宏交换机中的第一集成电路中的交换机站点以及光学地耦合来自交换机站点的光学信号(操作612)，其中给定交换机站点包括控制逻辑和存储缓冲区，并且其中控制逻辑独立于宏交换机中的其它交换机站点来确定交换调度。此外，在给定交换机站点处，宏交换机进行以下操作：将光学信号转换成电气信号(操作614)、执行交换(操作618)、以及将电气信号转换成光学信号(操作620)，其中电气信号被选择性地存储(操作616)在存储缓冲区中以避免宏交换机中的竞争。
在方法600的一些实施例中，可以存在附加的操作或更少的操作。此外，可以改变操作的顺序，和/或可以将两个或更多个操作组合成单个操作。
在前面的描述中，我们引用了“一些实施例”。注意的是，“一些实施例”描述了所有可能的实施例的子集，但并不总是指定实施例的相同子集。
前述描述旨在使得任何本领域技术人员能够制造和使用本公开，并且是在特定应用及其要求的上下文中提供的。此外，对本公开的实施例的前述描述仅仅是为了示意和描述的目的而呈现的。它们不旨在是穷举的或者将本公开限制到所公开的形式。因此，对于本领域技术人员来说，许多修改和变化将是明显的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用。此外，对前述实施例的讨论不旨在限制本公开。因此，本公开不旨在限于所示的实施例，而是被赋予与本文公开的原理和特征一致的最广泛的范围。

Claims (20)

1.一种宏交换机，包括：
第一集成电路，所述第一集成电路具有表面，其中所述第一集成电路包括：
第一交换机站点，其中所述第一交换机站点中的每个第一交换机站点包括第一控制逻辑和第一存储缓冲区；以及
第二交换机站点，其中所述第二交换机站点中的每个第二交换机站点包括第二控制逻辑和第二存储缓冲区；以及
第二集成电路，所述第二集成电路具有面向所述表面的第二表面，其中所述第二集成电路包括：
光学端口，被配置为耦合到光源；
第一光波导，光学地耦合到所述光学端口和所述第一交换机站点；以及
第二光波导，光学地耦合到所述第一交换机站点和所述第二交换机站点，其中所述宏交换机具有所述第一交换机站点和所述第二交换机站点之间的完全连接的拓扑。
2.如权利要求1所述的宏交换机，其中所述宏交换机包括交叉点交换机。
3.如权利要求1或2所述的宏交换机，其中所述宏交换机是非阻塞的。
4.如权利要求1或2中任一项所述的宏交换机，其中，在操作期间，给定第一交换机站点处的第一控制逻辑确定用于所述给定第一交换机站点的给定第一交换调度；以及
其中，在操作期间，给定第二交换机站点处的第二控制逻辑确定用于所述给定第二交换机站点的给定第二交换调度。
5.如权利要求4所述的宏交换机，其中所述给定第一交换调度是独立于用于所述第一交换机站点和所述第二交换机站点的其它交换调度而确定的；以及
其中所述给定第二交换调度是独立于用于所述第一交换机站点和所述第二交换机站点的其它交换调度而确定的。
6.如权利要求1、2或5中任一项所述的宏交换机，其中在给定光学端口和给定第一交换机站点之间的第一光波导包括：在操作期间将信息从所述给定光学端口传送到所述给定第一交换机站点的一个光波导，以及在操作期间将信息从所述给定第一交换机站点传送到所述给定光学端口的另一个光波导。
7.如权利要求1、2或5中任一项所述的宏交换机，其中在给定第一交换机站点和给定第二交换机站点之间的第二光波导包括：在操作期间将信息从所述给定第一交换机站点传送到所述给定第二交换机站点的一个光波导，以及在操作期间将信息从所述给定第二交换机站点传送到所述给定第一交换机站点的另一个光波导。
8.如权利要求1、2或5中任一项所述的宏交换机，其中所述光学地耦合涉及以下中的一个：衍射光栅、镜和光学邻近通信。
9.如权利要求1、2或5中任一项所述的宏交换机，其中给定第一交换机站点包括在操作期间将输入光学信号转换成输入电气信号并将输出电气信号转换成输出光学信号的收发器；以及
其中给定第二交换机站点包括在操作期间将第二输入光学信号转换成第二输入电气信号并将第二输出电气信号转换成第二输出光学信号的第二收发器。
10.如权利要求1、2或5中任一项所述的宏交换机，其中所述第二集成电路包括：
基板；
布置在所述基板上的掩埋氧化物BOX层；以及
布置在所述BOX层上的半导体层，其中所述第一光波导和所述第二光波导至少部分地在所述半导体层中实现。
11.如权利要求10所述的宏交换机，其中所述基板、所述BOX层和所述半导体层构成绝缘体上硅技术。
12.一种用于传递光学信号的系统，包括：
处理器；
存储器，所述存储器耦合到所述处理器，所述存储器存储程序模块，所述程序模块在操作期间由所述处理器执行；以及
宏交换机，其中所述宏交换机包括：
第一集成电路，所述第一集成电路具有表面，其中所述第一集成电路包括：
第一交换机站点，其中所述第一交换机站点中的每个第一交换机站点包括第一控制逻辑和第一存储缓冲区；以及
第二交换机站点，其中所述第二交换机站点中的每个第二交换机站点包括第二控制逻辑和第二存储缓冲区；以及
第二集成电路，所述第二集成电路具有面向所述表面的第二表面，其中所述第二集成电路包括：
光学端口，被配置为耦合到光源；
第一光波导，光学地耦合到所述光学端口和所述第一交换机站点；以及
第二光波导，光学地耦合到所述第一交换机站点和所述第二交换机站点，其中所述宏交换机具有所述第一交换机站点和所述第二交换机站点之间的完全连接的拓扑。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述宏交换机包括交叉点交换机；并且其中所述宏交换机是非阻塞的。
14.如权利要求12或13所述的系统，其中，在操作期间，给定第一交换机站点处的控制逻辑确定用于所述给定第一交换机站点的给定第一交换调度；以及
其中，在操作期间，给定第二交换机站点处的第二控制逻辑确定用于所述给定第二交换机站点的给定第二交换调度。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述给定第一交换调度是独立于用于所述第一交换机站点和所述第二交换机站点的其它交换调度而确定的；以及
其中所述给定第二交换调度是独立于用于所述第一交换机站点和所述第二交换机站点的其它交换调度而确定的。
16.如权利要求12、13或15中任一项所述的系统，其中在给定光学端口和给定第一交换机站点之间的第一光波导包括：在操作期间将信息从所述给定光学端口传送到所述给定第一交换机站点的一个光波导，以及在操作期间将信息从所述给定第一交换机站点传送到所述给定光学端口的另一个光波导。
17.如权利要求12、13或15中任一项所述的系统，其中在给定第一交换机站点和给定第二交换机站点之间的第二光波导包括：在操作期间将信息从所述给定第一交换机站点传送到所述给定第二交换机站点的一个光波导，以及在操作期间将信息从所述给定第二交换机站点传送到所述给定第一交换机站点的另一个光波导。
18.如权利要求12、13或15中任一项所述的系统，其中给定第一交换机站点包括在操作期间将输入光学信号转换成输入电气信号并将输出电气信号转换成输出光学信号的收发器；以及
其中给定第二交换机站点包括在操作期间将第二输入光学信号转换成第二输入电气信号并将第二输出电气信号转换成第二输出光学信号的第二收发器。
19.如权利要求12、13或15中任一项所述的系统，其中所述第二集成电路包括：
基板；
布置在所述基板上的掩埋氧化物BOX层；以及
布置在所述BOX层上的半导体层，其中所述光波导和所述第二光波导至少部分地在所述半导体层中实现。
20.一种使用宏交换机来交换光学信号的方法，其中所述方法包括：
在所述宏交换机中的第二集成电路中的光波导中传送光学信号；
将来自所述光波导的所述光学信号光学地耦合到所述宏交换机中的第一集成电路中的交换机站点以及光学地耦合来自所述交换机站点的光学信号，其中给定交换机站点包括控制逻辑和存储缓冲区，并且其中所述控制逻辑独立于所述宏交换机中的其它交换机站点而确定交换调度；以及
在所述给定交换机站点处，将光学信号转换成电气信号、执行交换、以及将所述电气信号转换成所述光学信号，其中所述电气信号被选择性地存储在所述存储缓冲区中以避免所述宏交换机中的竞争。
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