DE112019000130T5

DE112019000130T5 - Knoten mit kombinierter optischer und elektrischer schaltung

Info

Publication number: DE112019000130T5
Application number: DE112019000130.2T
Authority: DE
Inventors: Robert P. Ryan
Original assignee: Western Digital Technologies Inc
Current assignee: Western Digital Technologies Inc
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-07-16
Also published as: US10862583B2; CN111357299A; CN111344964A; WO2019209451A1; DE112019000142T5; US10560765B2; US10284291B1; CN111344964B; US20190335252A1; WO2019209452A1; US20200145099A1

Abstract

Ein Multi-Chip-Modul (MCM) schließt ein Substrat und eine Schaltsteuerung auf dem Substrat ein. Ein optisches Modul auf dem Substrat schließt mindestens einen optischen Koppelpunktschalter zum selektiven Leiten von optischen Signalen ein, die von dem optischen Modul aus dem MCM empfangen werden, ohne dass das MCM Daten von den optischen Signalen puffert oder ohne die optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten von den optischen Signalen durch die Schaltsteuerung umzuwandeln. Nach einem anderen Aspekt ist mindestens ein Speicher auf dem Substrat mit der Schaltsteuerung durch einen Parallelbus verbunden. In einem weiteren Aspekt schließt das MCM eine Vielzahl von optischen Eingangswegen zum Empfangen optischer Signale von außerhalb des MCM, eine Vielzahl von optischen Ausgangswegen zum Übertragen optischer Signale von dem MCM und eine Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern ein, die jeweils einen optischen Eingangsweg mit einem optischen Ausgangsweg verbinden, um optische Signale selektiv zu leiten.

Description

HINTERGRUND
Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Datenspeicherung und Datenverarbeitung wurden neue Ansätze unter Verwendung von Netzwerken vorgeschlagen, aufweisend beispielsweise Speicherknoten und/oder Verarbeitungsknoten zum Verteilen der Verarbeitung und Speicherung von Daten über die Knoten in dem Netzwerk. In einigen Fällen wurden Netzwerke vorgeschlagen, die optische Verbindungen zwischen einigen oder allen Knoten einschließen, um die Bandbreite zwischen den Knoten zu verbessern. In solchen Fällen beinhaltet das Routen von optischen Signalen zwischen den Knoten jedoch das Umwandeln der optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten, bevor das optische Signal zurück zum nächsten Knoten in Richtung des vorgesehenen endgültigen Ortes des optischen Signals gesendet wird.
Darüber hinaus sind in den Knoten selbst üblicherweise Leiterplattenanordnungen (PCBAs) mit Kupferleiterbahnen zwischen den Komponenten innerhalb des Knotens eingeschlossen, wie ein Speicherchip und eine Netzschnittstelle auf der PCBA. Obwohl die Verwendung der neuesten PCBA-Techniken für die aktuellen Datenverarbeitungsanforderungen unter Umständen ausreichend ist, werden zukünftige Systeme schnellere Verbindungen zwischen den Komponenten im Knoten mit einer größeren Bandbreite benötigen. Außerdem ist das PCBA-Dielektrikum bei den für emergente Datenverarbeitungssysteme gewünschten hohen Geschwindigkeiten im Allgemeinen verlustbehaftet. Obwohl die Hinzufügung von mehr Kupferleiterbahnen oder -spuren auf der PCBA eine größere Bandbreite bieten kann, ist dieser Ansatz durch den auf der PCBA verfügbaren Platz begrenzt.
Ein neuerer Ansatz bei der Miniaturisierung von Elektronik ist die Verwendung von Multi-Chip-Modulen (MCMs), bei denen mehrere integrierte Schaltkreise (ICs), Halbleiter-Rohchips und/oder andere Komponenten auf einem Substrat integriert sind. Beispielsweise wurde im Fall von dynamischen Direktzugriffsspeichern (DRAMs) ein MCM als Speicher mit hoher Bandbreite (HBM), bei dem DRAM-Rohchips vertikal gestapelt sind, um den Platzbedarf des MCM zu verringern, sowie ein Silizium-Interposer zur Verbindung mit einem Substrat vorgeschlagen.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher hervorgehen. Die Zeichnungen und die damit verbundenen Beschreibungen sind bereitgestellt, um Ausführungsformen der Offenbarung zu veranschaulichen, und nicht den Schutzumfang der Patentansprüche einzuschränken.

1 ist ein Blockdiagramm eines Knotens in einem Netzwerk gemäß einer Ausführungsform.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Multi-Chip-Modul- (MCM) -Knotens gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein Blockdiagramm eines MCM-Knotens gemäß einer Ausführungsform.
4 ist ein Blockdiagramm eines „System on a Chip“ (SoC) eines Knotens gemäß einer Ausführungsform.
5 zeigt Abschnitte eines optischen Moduls eines Knotens gemäß einer Ausführungsform.
6 zeigt eine Schalteranordnung eines optischen Moduls gemäß einer Ausführungsform.
7 ist ein Flussdiagramm für ein optisches Signal-Routing-Verfahren gemäß einer Ausführungsform.
8 zeigt Schaltanordnungen eines optischen Moduls mit optischen Verstärkern gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Jedoch wird für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass die verschiedenen offenbarten Ausführungsformen ohne einige dieser spezifischen Details in der Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen wurden gut bekannte Strukturen und Techniken nicht im Detail gezeigt, um zu vermeiden, dass die verschiedenen Ausführungsformen unnötig verkompliziert werden.
Knoten-Beispiele
1 ist ein Blockdiagramm des Knotens 100 nach einer Ausführungsform. Im Beispiel von 1 ist der Knoten 100 ein Knoten im Netzwerk 10 von Knoten einschließlich der Knoten 200 und 300. Wie nachstehend ausführlicher behandelt, schließt das Netzwerk 10 optische Fasern oder Zusammenschaltungen ein, die die Knoten im Netzwerk 10 optisch verbinden. In einigen Implementierungen kann das Netzwerk 10 ein zusammengeschaltetes Maschennetz mit Knoten einschließen, die mit mehr als einem anderen Knoten im Netzwerk verbunden sind, wie in einer n-dimensionalen Torus-Zusammenschaltung.
Obwohl eine höhere Anzahl von Zusammenschaltungen oder Dimensionen zwischen den Knoten in einem Netzwerk eine schnellere Verbindung zwischen den Knoten ermöglichen kann, indem die Anzahl der Zwischenknoten oder Hops reduziert wird, die für das Verarbeiten und Senden von Daten von einem Knoten zum nächsten erforderlich sind, steigt die Anzahl der im Netzwerk benötigten optischen Fasern oder Zusammenschaltungen mit der Anzahl der Knoten an. In Fällen, in denen viele Knoten im Netzwerk vorhanden sind, wie in zukünftigen Netzwerken, die Hunderte oder Tausende von Knoten umfassen können, kann die Anzahl der optischen Fasern oder Zusammenschaltungen, sowohl in Bezug auf den physischen Raum als auch in Bezug auf die Verarbeitungs- und Speicherressourcen, die an jedem Knoten für das Lenken der optischen Signale im Netzwerk benötigt werden, unüberschaubar werden.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung Beispiele für Knoten bereit, die vom Knoten empfangene optische Signale aus dem Knoten herausleiten können, ohne Daten aus den optischen Signalen zu puffern oder ohne die empfangenen optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten aus den optischen Signalen umzuwandeln. Wie nachstehend ausführlicher behandelt wird, kann ein solches Routing eine geringere Anzahl optischer Fasern oder Zusammenschaltungen pro Knoten besser ausnutzen, indem einige oder alle der Zwischenknoten hinsichtlich der Latenz effektiv transparent gemacht werden. Darüber hinaus werden der Stromverbrauch und die Ressourcen (z. B. Speicher- und Verarbeitungsressourcen), die an solchen transparenten Zwischenknoten für das Bearbeiten der geleiteten optischen Signale verwendet werden, effektiv eliminiert.
Im Beispiel von 1 kann jeder der Knoten 100, 200 und 300 dieselbe Konstruktion haben oder unterschiedlich sein. Zum Beispiel können die Knoten 100 und 200 Verarbeitungs- oder Rechenknoten sein, die einen oder mehrere Prozessoren zum Verarbeiten von Daten einschließen, die lokal am Knoten oder an verschiedenen anderen Knoten im Netzwerk 10 gespeichert sind. Um mit diesem Beispiel fortzufahren, kann der Knoten 300 ein Speicherknoten mit einem relativ großen persistenten oder flüchtigen Speicher zum Speichern von Daten sein, die mit anderen Knoten in Netzwerk 10 gemeinsam genutzt werden können.
Wie in 1 dargestellt, schließt der Knoten 100 das optische Modul 104, die Schaltsteuerung (Switch Controller) 106, den Prozessor 107, den flüchtigen Speicher 108, den nichtflüchtigen Speicher 110, den Hardwarebeschleuniger 112 und das Substrat 102 ein. Im Beispiel von 1 sind jeweils das optische Modul 104, der Prozessor 107, der flüchtige Speicher 108, der nichtflüchtige Speicher 110 und der Hardwarebeschleuniger 112 über einen Parallelbus oder eine Parallelverbindung mit der Schaltsteuerung 106 verbunden. In anderen Implementierungen kann der Knoten 100 andere Komponenten oder eine andere Anordnung von Komponenten einschließen. Beispielsweise können einige Implementierungen vom Knoten 100 einen Verwaltungsport, wie einen Ethernet-Port, einschließen, der mit der Schaltsteuerung 106 oder dem Prozessor 107 verbunden ist, die für Netzverwaltung, Einrichten, Programmieren des oder Fehlerbeheben am Knoten(s) 100 oder zum Bereitstellen einer sekundären Datenverbindung verwendet werden. In anderen Ausführungsformen können einige der Komponenten 107, 108, 110 und 112 weggelassen oder einige von ihnen zusammen integriert werden. Zum Beispiel kann ein Typ von Storage Class Memory (Speicherklassenspeicher, SCM) wie magnetoresistivers RAM (MRAM), Phase Change Memory (Phasenwechselspeicher, PCM), Resistives RAM (ReRAM) oder ein anderer Typ von SCM als nichtflüchtiger Speicher 110 verwendet werden, wobei in diesem Fall der flüchtige Speicher 108 entfallen kann. In einigen Ausführungsformen kann der Prozessor 107 mit der Schaltsteuerung 106 als eine einzige Steuerungs-/Prozessor-Einheit kombiniert werden.
In einem Beispiel kann der Knoten 100 ein Multi-Chip-Modul (MCM) einschließen, wie im unten behandelten Beispiel von 2, mit Komponenten wie der Schaltsteuerung 106 und dem optischen Modul 104, die über Interposer auf dem Substrat 102 verbunden sind, das z. B. ein Siliziumsubstrat, eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) oder Keramik einschließen kann. Eine MCM-Konstruktion des Knotens 100 kann normalerweise eine kompaktere Anordnung von Komponenten bereitstellen. In anderen Beispielen kann der Knoten 100 eine andere Konstruktion aufweisen, z. B. mit Komponenten wie der Schaltsteuerung 106 und dem optischen Modul 104, die über Kupferleiterbahnen auf dem Substrat 102, das eine Leiterplatte einschließen kann, verbunden sind. Der Knoten 100 kann in einigen Implementierungen andere platzsparende Einrichtungen einschließen, wie vertikal stapelbare Chips wie Silizium-Photonik- (SiPho) -Chips im optischen Modul 104 oder dynamischen Direktzugriffsspeicher-Chips (Dynamic Random Access Memory, DRAM) -Chips im flüchtigen Speicher 108.
Die Schaltsteuerung 106 schließt eine Schaltung zum Steuern des optischen Moduls 104 und zum Verarbeiten von Daten ein, die von optischen Signalen über das optische Modul 104 empfangen werden. Die Schaltsteuerung 106 kann z. B. einen oder mehrere Prozessoren zum Ausführen von Anweisungen einschließen und kann einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor (Digital Signal Processor, DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (Field Programmable Gate Array, FPGA), festverdrahtete Logik, analoge Schaltungen und/oder eine Kombination davon einschließen. In einigen Implementierungen kann die Schaltsteuerung 106 einen programmierbaren Netzschaltchip oder einen „System on a Chip“ (SoC) mit eigenem Speicher und/oder mehreren Prozessoren einschließen. In dieser Hinsicht kann die Schaltsteuerung 106 computerausführbare Anweisungen (z. B. eine Firmware oder Software) für den Betrieb des Knotens 100 einschließlich der nachstehend behandelten optischen Routing-Prozesse speichern. Wie in den Beispielen der 2 bis 4 behandelt, kann die Schaltsteuerung 106 auch Teil eines SoC sein, der andere Komponenten wie den Hardwarebeschleuniger 112, den Prozessor 107 oder einen FPGA, wie den FPGA 190 im Beispiel des SoC 109 in 4, einschließen kann.
Wie in 1 dargestellt, schließt das optische Modul 104 optische Eingangswege, die mit optischen Eingangsfasern 111A verbunden sind, und optische Ausgangswege ein, die mit optischen Ausgangsfasern 111B verbunden sind. Jede der Eingangslichtwellenleiter 111A kann mit verschiedenen Knoten im Netzwerk 10 verbunden werden. Analog kann jede der optischen Ausgangsfasern 111B mit verschiedenen Knoten im Netzwerk 10 verbunden werden.
Wie nachstehend in Bezug auf die 3 und 5 näher erläutert wird, ist jeder optische Eingangsweg so eingerichtet, dass er optische Signale von außerhalb des Knotens 100 empfängt, und ein optisch-elektrischer Wandler des optischen Moduls 104 ist so eingerichtet, dass er die auf dem optischen Eingangsweg empfangenen optischen Signale in elektrische Signale umwandelt, die an die Schaltsteuerung 106 gesendet werden. In ähnlicher Weise ist jeder optische Ausgangsweg so eingerichtet, dass er optische Signale vom Knoten 100 zum Netzwerk 10 überträgt, und ein elektrisch-optischer Wandler des optischen Moduls 104 ist so eingerichtet, dass er elektrische Signale von der Schaltsteuerung 106 in optische Signale zum Übertragen über den optischen Ausgangsweg umwandelt.
In einigen Fällen kann die Schaltsteuerung 106 bestimmen, dass Daten von einem oder mehreren optischen Signalen, die vom optischen Modul 104 empfangen werden, vom Prozessor 107 oder Hardwarebeschleuniger 112 verarbeitet werden sollen. In anderen Fällen kann die Schaltsteuerung 106 bestimmen, dass Daten von einem oder mehreren optischen Signalen, die vom optischen Modul 104 empfangen werden, im flüchtigen Speicher 108 oder im nichtflüchtigen Speicher 110 gespeichert werden sollen. In noch anderen Fällen kann die Schaltsteuerung 106 das optische Modul 104 steuern, um die empfangenen Daten wieder in ein oder mehrere optische Signale umzuwandeln, die vom Knoten 100 über das Netzwerk 10 an einen anderen Knoten gesendet werden sollen. In noch weiteren Fällen kann die Schaltsteuerung 106 das optische Modul 104 steuern, um die vom optischen Modul 104 empfangenen optischen Signale vom Knoten 100 zu einem anderen Knoten im Netzwerk 10 zu leiten.
In dieser Hinsicht kann der Knoten 100 sowohl optische als auch elektrische/Standard-Schaltung bereitstellen, um drei verschiedene Funktionen zu realisieren. Als erste Funktion kann der Knoten 100 Daten vom Netzwerk 10 zum Verarbeiten oder Speichern durch eine lokale Komponente des Knotens 100 empfangen. Als zweite Funktion kann der Knoten 100 ein Standardnetzwerk oder einen elektrischen Schaltungsvorgang bereitstellen, indem er ein empfangenes optisches Signal in ein elektrisches Signal und zurück in ein optisches Signal umwandelt, um eine Zeitanpassung, Fehlerkorrektur, Umformung und/oder Verbesserung der Stärke des optischen Signals zum Senden an einen anderen Knoten vorzunehmen. Als dritte Funktion kann der Knoten 100 eine optische Schaltung bereitstellen, indem er eine bestimmte elektrische Verarbeitung umgeht, die normalerweise zu einer zusätzlichen Latenz führt, sodass der Knoten 100 als „transparenter“ Zwischenknoten fungiert.
Wie nachstehend ausführlicher besprochen, kann die Schaltsteuerung 106 aus einem optischen Signal, das vom optischen Modul 104 empfangen wird, eine Adresse identifizieren, die einem oder mehreren Knoten im Netzwerk 10 entspricht. Die Schaltsteuerung 106 kann dann bestimmen, ob ein optischer Koppelpunktschalter des optischen Moduls 104 aktiviert werden soll, um ein oder mehrere nachfolgende optische Signale, die vom optischen Modul 104 empfangen werden, aus dem Knoten 100 zu leiten, ohne Daten von dem einen oder den mehreren nachfolgenden optischen Signalen zu puffern oder ohne das nachfolgende oder die mehreren nachfolgenden optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten von dem einen oder den mehreren nachfolgenden optischen Signalen umzuwandeln.
Wie hier verwendet, bezeichnet ein optischer Koppelpunktschalter einen Schalter, der Licht von einem optischen Eingangsweg zu einem optischen Ausgangsweg lenken kann. Das optische Modul 104 schließt einen oder mehrere solcher optischen Koppelpunktschalter ein und kann optional eine oder mehrere Anordnungen solcher optischen Koppelpunktschalter einschließen, wie nachstehend in Bezug auf die 6 und 8 näher beschrieben.
Der Prozessor 107 schließt Schaltungen wie einen oder mehrere Prozessoren zum Ausführen von Anweisungen ein und kann einen Mikrocontroller, einen DSP, einen ASIC, ein FPGA, festverdrahtete Logik, analoge Schaltung und/oder eine Kombination davon einschließen. In einigen Implementierungen kann der Prozessor 107 einen SoC einschließen. Darüber hinaus kann Prozessor 107 in einigen Implementierungen einen RISC-basierten Prozessor (Reduced Instruction Set Computer - Rechner mit reduziertem Befehlssatz) (z. B. RISC-V, ARM) oder einen CISC-basierten Prozessor (Complex Instruction Set Computer - Rechner mit komplexem Befehlssatz) einschließen. Wie vorstehend erwähnt, kann der Prozessor 107 es dem Knoten 100 ermöglichen, als Verarbeitungsknoten oder Rechenknoten im Netzwerk 10 zu dienen, z. B. für verteiltes Rechnen zwischen verschiedenen Knoten im Netzwerk 10. Der Prozessor 107 kann das Verarbeiten oder Berechnungen unter Verwendung der vom optischen Modul 104 empfangenen Daten und/oder das Verarbeiten der im flüchtigen Speicher 108 oder im nichtflüchtigen Speicher 110 gespeicherten Daten durchführen.
Der Hardwarebeschleuniger 112 kann spezielle Schaltungen für das Verarbeiten von Daten für die Schaltsteuerung 106 oder für die Durchführung eines bestimmten Vorgangs oder einer Reihe von Vorgängen einschließen, z. B. eine kryptographische, eine analytische oder eine Datenkohärenzfunktion (z. B. Gewährleisten der Kohärenz der Speicherzugriffsorte). In einigen Implementierungen kann der Hardwarebeschleuniger 112 dazu verwendet werden, eine in den Daten eingeschlossene Adresse von einem optischen Signal mit einem optischen Koppelpunktschalter im optischen Modul 104 zum Senden oder Empfangen eines optischen Signals zu korrelieren.
Der flüchtige Speicher 108 kann einen Speicher einschließen, der über eine Schnittstelle mit der Schaltsteuerung 106, dem Prozessor 107 oder dem Hardwarebeschleuniger 112 verbunden ist, um während der Ausführung von Anweisungen oder Funktionen in Softwareprogrammen, wie einer vom Prozessor 107 ausgeführten Anwendung, Daten bereitzustellen, die im flüchtigen Speicher 108 gespeichert sind. Der flüchtige Speicher 108 kann einen Speicher einschließen, auf den schnell zugegriffen werden kann, wie ein DRAM. In anderen Implementierungen kann der flüchtige Speicher 108 andere Arten von Festkörperspeichern einschließen oder durch diese ersetzt werden, einschließlich nichtflüchtiger Speicher, auf die schnell zugegriffen werden kann, wie MRAM oder andere Arten von SCM.
Durch den nichtflüchtigen Speicher 110 kann der Knoten 100 als Speicherknoten dienen, indem er eine relativ größere Speicherkapazität als andere Knoten im Netzwerk 10 bereitstellt. In einigen Implementierungen können Daten zwischen den Knoten in Netzwerk 10 gemeinsam genutzt oder verteilt werden, um den Zugriff oder das Verarbeiten durch verschiedene Knoten in Netzwerk 10 zu ermöglichen. Der nichtflüchtige Speicher 110 schließt einen persistenten Speicher zum Speichern von Daten über Leistungszyklen hinweg ein und kann beispielsweise ein Festplattenlaufwerk (HDD), einen Festkörperspeicher wie einen SCM, eine Kombination von beiden Speichertypen oder Sätze solcher Speicher einschließen.
Während sich die Beschreibungen hierin auf den Festkörperspeicher im Allgemeinen beziehen, versteht es sich, dass der Festkörperspeicher eine oder mehrere verschiedene Arten von Speichervorrichtungen wie integrierte Flash-Schaltungen, Chalcogenid-RAM (C-RAM), Phasenwechselspeicher (PCM, PC-RAM oder PRAM), programmierbare Metallisierungszellen-RAM (PMC-RAM oder PMCm), Ovonic Unified Memory (OUM), ReRAM-, NAND-Speicher (z. B. einstufige Zellen-Speicher (SLC-Speicher), mehrstufige Zellen-Speicher (MLC-Speicher) oder eine beliebige Kombination davon), NOR-Speicher, EEPROM, ferroelektrische Speicher (FeRAM), MRAM, andere diskrete NVM-Chips oder eine beliebige Kombination davon aufweisen kann.
Wie vorstehend erwähnt, kann der Knoten 100 eine MCM-Konstruktion einschließen oder eine Vorrichtung eines anderen Konstruktionstyps sein, wie Komponenten auf einer Leiterplatte mit Leiterbahnen zwischen einigen oder allen der Komponenten. Darüber hinaus können andere Implementierungen des Knotens 100 eine andere Anzahl von Komponenten oder eine andere Anordnung von Komponenten einschließen. Beispielsweise schließen andere Implementierungen unter Umständen nicht einen oder mehrere vom Hardwarebeschleuniger 112, Prozessor 107, flüchtigen Speicher 108 oder nichtflüchtigen Speicher 110 ein. Darüber hinaus können eine oder mehrere dieser Komponenten in einigen Implementierungen zusammen als ein SoC ausgebildet sein, z. B. wenn die Schaltsteuerung 106, der Prozessor 107 und der Hardwarebeschleuniger 112 zusammen als ein einziger SoC ausgebildet sind, wie im Beispiel von 3 gezeigt. In wieder anderen Implementierungen können zusätzliche Komponenten im Knoten 100 eingeschlossen sein, wie bei FPGA 190, wie im Beispiel von 4 gezeigt.
2 ist eine Querschnittsansicht des Knotens 100 als MCM gemäß einer Ausführungsform. Wie in 2 dargestellt, schließt der Knoten 100 das optische Modul 104, den SoC 109 und den flüchtigen Speicher 108 auf Substrat 102 ein. Im Beispiel von 2 kann der SoC 109 die Schaltsteuerung 106, den Prozessor 107 und den Hardwarebeschleuniger 112 einschließen. In anderen Implementierungen können eine oder mehrere dieser Komponenten separat in einem eigenen Chip auf dem Substrat 102 ausgebildet sein.
In 2 ist der Knoten 100 über die Kugelgitteranordnung (Ball Grid Array) 128 auf dem PCBA 116 montiert, um Strom vom Leistungs- und Verwaltungsmodul 126 zu erhalten, das über die Kugelgitteranordnung 129 auf dem PCBA 116 montiert ist. In einigen Implementierungen kann das Leistungs- und Verwaltungsmodul 126 auch eine Verwaltungsschnittstelle zum Knoten 100 bereitstellen, z. B. über einen Verwaltungsport (nicht abgebildet) des Leistungs- und Verwaltungsmoduls 126 zum Fehlersuchen, Einrichten, Programmieren oder Bereitstellen des Netzmanagements des PCBA 116 oder des Knotens 100.
Das optische Modul 104, der SoC 109 und der flüchtige Speicher 108 werden jeweils über die Vias (Durchkontaktierungen) 136, 138 und 134 mit Strom versorgt und strukturell unterstützt. Wie in 2 dargestellt, bilden das optische Modul 104 und ein Abschnitt des SoC 109 einschließlich der Schaltsteuerung 106 den Schalter 118, der zum Senden und Empfangen von Daten im Netzwerk 10 eingerichtet ist und außerdem zum Leiten von Daten zwischen Komponenten innerhalb des Knotens 100 eingerichtet ist. In diesem Zusammenhang ist der Schalter 118 über das optische Modul 104 und einen Abschnitt des SoC 109 verteilt.
Im Beispiel des Knotens 100 in 2 sind das optische Modul 104 und der flüchtige Speicher 108 über Hochgeschwindigkeits-Silizium-Interposer 130 bzw. 132 mit dem SoC 109 verbunden. Wie in 2 gezeigt, schließen die Interposer 130 und 132 Parallelverbindungen oder einen Parallelbus ein, der im Substrat 102 eingebettet ist. Diese Anordnung eines eingebetteten Interposers kann als Siliziumbrücke bezeichnet werden und kann normalerweise eine höhere Dichte an Verbindungen zwischen dem optischen Modul 104 und dem SoC 109 sowie zwischen dem flüchtigen Speicher 108 und dem SoC 109 bereitstellen, im Vergleich zur Verwendung von Vias im Substrat 102 oder einer separaten Interposer-Schicht zwischen dem Substrat 102 und Komponenten auf dem Substrat 102, wie dem SoC 109, dem optischen Modul 104 und dem flüchtigen Speicher 108. Solche Verbindungen mit höherer Dichte können mehr Parallelverbindungen auf kleinerem Raum auf dem Substrat 102 bereitstellen, was zu einer höheren Bandbreite mit weniger Signalverlust aufgrund der kürzeren Verbindungen führt. In einigen Implementierungen können die Parallelverbindungen beispielsweise 1.024 Spuren oder Parallelverbindungen einschließen, die in Untergruppen von Spuren gruppiert sein können.
Die kürzeren Verbindungen, die durch die Verwendung von im Substrat 102 eingebetteten Siliziumbrücken bereitgestellt werden, können den Umfang der erforderlichen Fehlerkorrektur verringern, da sich das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR) im Allgemeinen bei kürzeren Verbindungen verbessert. Das verbesserte SNR kann auch die Übertragung von Daten über die Interposer 130 und 131 bei höheren Geschwindigkeiten erleichtern, als dies sonst bei längeren Verbindungen möglich ist, da sich das SNR in der Regel bei höheren Geschwindigkeiten verschlechtert. Darüber hinaus kann die Verwendung von eingebetteten Interposern oder Siliziumbrücken im Vergleich zur Verwendung eines größeren Interposers auf der Oberfläche des Substrats 102 zu geringeren Kosten führen.
Das optische Modul 104 im Beispiel von 2 schließt die Faserverbindung 124 zum Verbinden von optische Fasern 111 mit optischen Wegen innerhalb des Rohchips 103 des optischen Moduls 104 ein. Der Rohchip 103 kann z. B. einen SiPho-Chip mit optischen Wegen als Siliziumwellenleiter mit Photodetektoren und Modulatoren für optische Kantenkoppler einschließen. In einigen Implementierungen kann der Rohchip 103 gestapelte oder gebundene Schichten für verschiedene Sätze von optischen Wegen einschließen. Zum Beispiel kann jede Schicht des Rohchips 103 einen oder mehrere optische Eingangswege und einen oder mehrere optische Ausgangswege einschließen, die durch entsprechende optische Koppelpunktschalter verbunden sind. Beispiele für solche Anordnungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf 3, 5, 6 und 8 ausführlicher behandelt.
Wie in 2 dargestellt, schließt das optische Modul 104 die Lichtquelle 122 zur optischen Übertragung vom optischen Modul 104 ein. In einigen Implementierungen kann die Lichtquelle 122 III-V-Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumgalliumarsenid (AIGaAs) mit Silizium einschließen, um z. B. einen Silizium-Hybridlaser (z. B. den in 3 gezeigten Laser 1441) bereitzustellen. In einigen Implementierungen kann sich die Lichtquelle 122 in einem externen Modul befinden, wobei das Licht durch eine oder mehrere optische Fasern an das optische Modul 104 abgegeben wird. Das optische Modul 104 schließt auch Schaltlogik 120 ein, die zum Beispiel komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter- (CMOS) oder bipolare CMOS-Logikschaltungen (BiCMOSLogikschaltungen) einschließen kann.
Wie Durchschnittsfachleuten bekannt ist, kann der Knoten 100 in anderen Implementierungen andere Komponenten oder eine andere Anordnung von Komponenten als die in 2 gezeigten einschließen. Beispielsweise können andere Implementierungen die Lichtquelle 122 und die Schaltlogik 120 einschließen, die in denselben Rohchip 103 wie die Wellenleiter und optischen Koppelpunktschalter integriert sind. Als weiteres Beispiel kann der Knoten 100 auch Komponenten zum Kühlen von Abschnitten des Knotens 100 einschließen, wie die Lichtquelle 122 und/oder den SoC 109. Eine solche Kühlung kann z. B. durch Luft, Wasser oder Tauchkühlung mit geeigneten thermischen Schnittstellen erfolgen.
3 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für den Knoten 100, das Komponenten des optischen Moduls 104 und des SoC 109 gemäß einer Ausführungsform zeigt. Wie Durchschnittsfachleuten bekannt ist, können verschiedene Implementierungen des Knotens 100 andere Komponenten oder eine andere Anordnung von Komponenten als die in 3 gezeigten einschließen.
Wie in 3 dargestellt, schließt das optische Modul 104 den optischen Ausgangsweg 154₁ und den optischen Eingangsweg 156₁ ein. Der optische Ausgangsweg 154₁ wird über den Koppler 140₁ mit der optischen Faserverbindung 124 verbunden, um optische Signale aus dem Knoten 100 über die optische Faser 111B₁ zu leiten. Der Laser 144₁ liefert Licht an die Modulatoren 146₁ , die in 3 als Ringe dargestellt sind, mit verschiedenen Frequenzen, die verschiedenen Wellenlängen oder Farben des Lichts entsprechen. In einigen Implementierungen kann der Laser 144₁ einen Dauerstrich-Kammlaser (Continuous Wave-, CW-Kammlaser) einschließen.
Die verschiedenen Modulatoren 146₁ (die durch vier Kreise mit unterschiedlichen Linienmarkierungen zur Kennzeichnung der verschiedenen Modulatoren dargestellt sind) werden durch elektrische Signale aktiviert, die vom Treiberverstärker 148₁ als Reaktion auf elektrische Signale gesendet werden, die von der Schaltsteuerung 106 empfangen werden. In dieser Hinsicht bilden der Laser 144₁ , die Modulatoren 146₁ und der Treiberverstärker 148₁ einen elektrisch-optischen Wandler 151₁ , der so eingerichtet ist, dass er die von der Schaltsteuerung 106 empfangenen elektrischen Signale in optische Signale umwandelt, die über den optischen Ausgangsweg 154₁ außerhalb des Knotens 100 übertragen werden. Im Beispiel von 3 sind die Modulatoren 146₁ als Ringmodulatoren dargestellt. Andere Implementierungen können andere Komponenten für einen elektrisch-optischen Wandler verwenden, wie Scheibenmodulatoren, Mach-Zehnder-Strukturen, Graphen auf D-Mikrofaser-Modulatoren oder MEMS-Spiegel (Micro Electro Mechanical System-Spiegel) anstelle von Ringmodulatoren.
Im Beispiel von 3 ermöglicht die Aktivierung der Modulatoren 146₁ , dass Licht mit einer bestimmten Frequenz auf dem optischen Ausgangsweg 154₁ als optischer Signalausgang vom optischen Modul 104 läuft. In dieser Hinsicht können mehrere optische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig auf demselben optischen Ausgangsweg 154₁ laufen, um die Bandbreite der Daten zu erhöhen, die vom optischen Modul 104 ausgegeben werden. Der elektrisch-optische Wandler 151₁ für den optischen Ausgangsweg 154₁ ist so eingerichtet, dass er elektrische Signale, die von der Schaltsteuerung 106 empfangen werden, in optische Signale zum Übertragen außerhalb des Knotens 100 über den optischen Ausgangsweg 154₁ umwandelt und mehrere optische Signale zur gleichzeitigen Übertragung auf dem optischen Ausgangsweg 154₁ multiplext.
Darüber hinaus kann das optische Modul 104 eine Vielzahl von optischen Ausgangswegen und eine Vielzahl von optischen Eingangswegen einschließen, von denen jeder in der Lage ist, gleichzeitig verschiedene optische Signale mit unterschiedlichen Frequenzen zu übertragen. Obwohl im Beispiel von 3 vier Resonatoren und vier Modulatoren gezeigt werden, können andere Implementierungen eine unterschiedliche Anzahl von Resonatoren und Modulatoren für eine unterschiedliche Anzahl von Lichtfrequenzen verwenden. Zum Beispiel können 12 verschiedene Lichtfrequenzen (d. h. Kanäle), die jeweils 100 GB/s bereitstellen, in einen optischen Weg gemultiplext werden, der 1,2 TB/s auf dem optischen Weg bereitstellt. Wenn in einem bestimmten Knoten 24 optische Ausgangswege 154 und 24 optische Eingangswege 156 verwendet werden, würde die gesamte Bandbreite für den Knoten in einem solchen Beispiel etwa 28 TB/s betragen.
Im Beispiel von 3 wird der optische Eingangsweg 156₁ über die Faserverbindung 124 und den Koppler 142₁ mit der optischen Eingangsfaser 111A₁ verbunden. Optische Signale, die über die optischen Eingangsfaser 111A₁ empfangen werden, werden von Ringresonatoren und entsprechenden Avalanche-Photodioden (APDs) 150₁ erfasst, die elektrische Signale an den Transimpedanzverstärker (TIA) 152₁ bereitstellen. In einigen Implementierungen können eine oder mehrere Komponenten des optisch-elektrischen Wandlers 153₁ , wie Ringresonatoren und/oder TIA 152₁ , die Umformung der Signale bereitstellen, wie durch Herausfiltern von Frequenzen außerhalb eines bestimmten optischen oder elektrischen Frequenzbandes. Die elektrischen Signale werden dann der Schaltsteuerung 106 zum Verarbeiten bereitgestellt. In dieser Hinsicht bilden die Resonatoren und APDs 150₁ zusammen mit TIA 152₁ den optisch-elektrischen Wandler 153₁ , der so eingerichtet ist, dass er die auf dem optischen Eingangsweg 156₁ empfangenen optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten durch die Schaltsteuerung 106 umwandelt. Andere Implementierungen können andere Komponenten für einen optisch-elektrischen Wandler verwenden, z. B. durch Verwendung eines anderen Photodiodentyps oder durch Verwendung von Scheibenresonatoren, Mach-Zehnder-Strukturen oder MEMS-Spiegeln anstelle von Ringresonatoren.
Darüber hinaus können einige Implementierungen einen oder mehrere Pegelverteiler im optisch-elektrischen Wandler 153₁ einschließen, die so eingerichtet sind, dass sie einen Abschnitt eines optischen Signals empfangen, um eine Signalstärke des optischen Signals zu messen. Die Signalstärke kann dann von der Schaltsteuerung 106 verwendet werden, um zu bestimmen, ob nachfolgende optische Signale über den Koppelpunktschalter 158₁ geleitet werden sollen oder ob nachfolgende optische Signale zum Erhöhen der Signalstärke zeitlich angepasst oder umgewandelt werden sollen. In noch anderen Fällen kann ein Pegelverteiler verwendet werden, um den optischen Eingangsweg 156₁ periodisch zu beobachten, um eine Reihe verwandter optischer Signale zu vervollständigen oder um einen Fehler oder eine Ausnahme bei der Übertragung von optischen Signalen auf dem optischen Eingangsweg 156₁ zu identifizieren.
Wie nachstehend in Bezug auf 5 ausführlicher besprochen, schließt das optische Modul 104 auch optische Koppelpunktschalter 158 ein, wie den optischen Koppelpunktschalter 158₁ , der so eingerichtet ist, dass er die vom optischen Modul 104 empfangenen optischen Signale selektiv aus dem Knoten 100 herausleitet, ohne dass der Knoten 100 Daten aus den empfangenen optischen Signalen puffert oder ohne dass die empfangenen optischen Signale durch die Schaltsteuerung 106 in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten aus den empfangenen optischen Signalen umgewandelt werden. Der optische Koppelpunktschalter 158₁ kann z. B. Ringresonatoren, Plattenresonatoren, Mach-Zehnder-Strukturen oder MEMS-Spiegel einschließen, die, wenn sie aktiviert sind, optische Signale vom optischen Eingangsweg 156₁ auf den optischen Ausgangsweg 154₁ lenken.
Die Aktivierung des optischen Koppelpunktschalters 158₁ bei einer bestimmten Frequenz kann einer Deaktivierung eines Resonators 150₁ und der Sperrung eines elektrischen Weges für diese bestimmte Frequenz entsprechen, sodass die für diese Lichtfrequenz empfangenen optischen Signale nicht umgewandelt und/oder an die Schaltsteuerung 106 übertragen werden. In einigen Implementierungen kann ein gesamter Verstärker, wie TIA 152₁ , zusätzlich zu anderen Komponenten entlang des gesperrten elektrischen Weges, wie der Serialisator/Deserialisator-Schnittstelle (SerDes-Schnittstelle) 162₁ , oder anderen Schaltungen entlang des elektrischen Weges zur Schaltsteuerung 106, abgeschaltet werden. Dieses Abschalten von elektrischen Komponenten kann normalerweise den Stromverbrauch des Knotens 100 reduzieren, der für eine Vielzahl von optischen Eingangswegen in Knoten 100 um ein Vielfaches erhöht sein kann.
Der Treiberverstärker 148₁ für den optischen Ausgangsweg 154₁ wird über einen Hochgeschwindigkeits-Silizium-Interposer 130A an die übertragende SerDes-Schnittstelle 160₁ des SoC 109 angeschlossen. Darüber hinaus wird der TIA 152₁ für den optischen Eingangsweg 156₁ mit der SerDes-Schnittstelle 162₁ des SoC 109 über einen Hochgeschwindigkeits-Silizium-Interposer 130A verbunden. Die übertragende SerDes-Schnittstelle 160₁ des SoC 109 kann parallel verschiedene elektrische Signale von der Schaltsteuerung 106 empfangen, damit Daten in verschiedenen jeweiligen optischen Signalen auf dem optischen Ausgangsweg 154₁ gesendet werden können. Die übertragende SerDes-Schnittstelle 160₁ serialisiert die Daten aus den parallelen elektrischen Signalen, die von der Schaltsteuerung 106 empfangen werden, zur Übertragung über den Interposer 130A. Der Treiberverstärker 148₁ des optischen Moduls 104 wandelt die über den Interposer 130A empfangenen seriellen Hochgeschwindigkeitsdaten in elektrische Signale um, um die entsprechenden Modulatoren 146₁ zu aktivieren. In einigen Implementierungen kann der Treiberverstärker 148₁ auch die Umformung oder Filterung der elektrischen Signale bereitstellen.
Dagegen kann die empfangende SerDes-Schnittstelle 162₁ serialisierte Daten in Form von elektrischen Signalen vom TIA 152₁ empfangen, die verschiedene optische Signale darstellen, die auf dem optischen Eingangsweg 156₁ empfangen werden. Die empfangende SerDes-Schnittstelle 162₁ deserialisiert die über den Interposer 130A empfangenen Daten in parallele elektrische Signale, die den verschiedenen optischen Signalen zum Verarbeiten durch die Schaltsteuerung 106 entsprechen.
In anderen Implementierungen können sich eine oder beide SerDes-Schnittstellen 160₁ und 162₁ stattdessen auf der anderen Seite des Interposers 130A befinden, um in das optische Modul 104 eingeschlossen zu werden. Die Anordnung der SerDes-Schnittstellen 160₁ und 162₁ im SoC 109 reduziert jedoch die Anzahl der benötigten Anschlüsse.
Die Verwendung der empfangenden SerDes-Schnittstelle 162₁ und der übertragenden SerDes-Schnittstelle 160₁ in 3 kann normalerweise eine relativ große Anzahl von optischen Wegen und optischen Koppelpunktschaltern 158 für eine gegebene Größe oder Anzahl von Verbindungen im Interposer 130A ermöglichen. Wie nachstehend ausführlicher behandelt wird, können andere an den SoC 109 angeschlossene Komponenten, wie der nichtflüchtige Speicher 110 oder der flüchtige Speicher 108, stattdessen eine Parallelschnittstelle oder einen Parallelbus ohne Serialisierung und Deserialisierung nutzen. In dieser Hinsicht ist bei Parallelverbindungen wie einer Parallelschnittstelle oder einem Parallelbus, die eine relativ kurze Strecke zurücklegen (z. B. innerhalb desselben MCM-Knotens 100), im Vergleich zu anderen Datenwegen, die eine größere Entfernung aufweisen, die Wahrscheinlichkeit geringer, dass es zu einer Verzerrung oder einer zeitlichen Fehlanpassung der Daten zwischen den parallelen Hochgeschwindigkeitssignalen kommt. Die über optische Eingangswege empfangenen Daten können dagegen typischerweise als ein oder mehrere serialisierte Kanäle empfangen werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Verzerrung zu verringern. In einigen Implementierungen können die SerDes-Schnittstellen 160₁ und/oder 162₁ eine Zeitanpassung der Signale auf ihrem Weg durch den Knoten zu ihrem endgültigen Zielknoten ermöglichen.
Obwohl die SerDes-Schnittstellen 160₁ und 162₁ unter Umständen eine Zeitanpassung und eine Platzersparnis bei einer größeren Bandbreite für eine gegebene Verbindung ermöglichen, kann die Serialisierung und Deserialisierung von Daten zu zusätzlicher Latenz beim Verarbeiten von Daten für ein bestimmtes optisches Signal führen und Strom verbrauchen. Wie nachstehend ausführlicher behandelt wird, kann durch die Verwendung des optischen Koppelpunktschalter 158₁ die durch die SerDes-Schnittstellen 160₁ und 162₁ hinzugefügte Latenz beim Verarbeiten oder Puffern von Daten, die für einen anderen Knoten im Netzwerk 10 bestimmt sind, vermieden werden. Diese Latenz oder Hop-Latenz erhöht sich mit jedem Zwischenknoten, der das optische Signal in ein elektrisches Signal zum Verarbeiten durch den Knoten umwandelt, bevor das elektrische Signal wieder in das optische Signal zur Übertragung an den nächsten Knoten umgewandelt wird. Die Verwendung eines oder mehrerer optischer Koppelpunktschalter 158 im Knoten 100 kann diese Hop-Latenz eliminieren, was mehr Knoten und/oder weniger Zusammenschaltungen (d. h. optische Faserverbindungen) zwischen den Knoten im Netzwerk 10 ermöglichen kann, indem die Latenz für optische Signale, die mehr Knoten durchlaufen, als in Netzwerken mit konventionellen Knoten möglich ist, reduziert wird.
SoC 109 im Beispiel von 3 schließt das Schaltmodul 164₁ ein, das die Aktivierung des optischen Koppelpunktschalters 158₁ über den Hochgeschwindigkeits-Silizium-Interposer 130B und die Verbindung 176₁ im optischen Modul 104 steuert. In einigen Implementierungen kann das Schaltmodul 164₁ eine Treiberschaltung und/oder einen oder mehrere Zeitgeber zum Steuern der Aktivierung des optischen Koppelpunktschalters 158₁ einschließen.
Wie nachstehend in Bezug auf 5, 6 und 8 ausführlicher behandelt, kann jeder optische Weg mehrere optische Koppelpunktschalter 158 einschließen, um optische Signale selektiv von einem optischen Eingangsweg zu einem optischen Ausgangsweg zu leiten, ohne die optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten durch die Schaltsteuerung 106 umzuwandeln. In solchen Implementierungen kann jeder optische Eingangs- oder Ausgangsweg sein eigenes Schaltmodul 164 zum Aktivieren der optischen Koppelpunktschalter 158 auf dem optischen Weg oder sogar zum Aktivieren bestimmter Resonatoren innerhalb jedes optischen Koppelpunktschalters 158 auf dem optischen Weg einschließen.
Wie in 3 gezeigt, schließt SoC 109 auch die Parallelschnittstellen 166 und 167 zum Anbinden des Hardwarebeschleunigers 112 bzw. des Prozessors 107 an die Schaltsteuerung 106 ein. Wie vorstehend erwähnt, ermöglicht das Bereitstellen einer Parallelschnittstelle normalerweise eine höhere Bandbreite von Daten zwischen der Schaltsteuerung 106 und Komponenten wie dem Prozessor 107 und dem Hardwarebeschleuniger 112.
Zusätzlich zu den Parallelverbindungen oder Schnittstellen für Komponenten innerhalb des SoC 109 schließt das Beispiel von 3 auch die Parallelschnittstellen 170 und 168 zur Verbindung mit dem nichtflüchtigen Speicher 110 und dem flüchtigen Speicher 108 über die Hochgeschwindigkeits-Silizium-Interposer 131 bzw. 132 ein. Die Verwendung von Parallelschnittstellen bietet eine höhere Datenbandbreite zwischen der Schaltsteuerung 106 und Komponenten außerhalb von SoC 109, wie dem nichtflüchtigen Speicher 110 und dem flüchtigen Speicher 108. Der nichtflüchtige Speicher 110 und der flüchtige Speicher 108 schließen ihrerseits Parallelschnittstellen 172 bzw. 174 zum Senden und Empfangen von Daten an Komponenten im SoC 109 ein, wie die Schaltsteuerung 106, den Prozessor 107 oder den Hardwarebeschleuniger 112.
4 ist ein Blockdiagramm des SoC 109 nach einer Ausführungsform. Wie Durchschnittsfachleuten bekannt ist, können verschiedene Implementierungen des SoC 109 andere Komponenten oder eine andere Anordnung von Komponenten als die in 4 gezeigten einschließen. Zum Beispiel können sich einer oder beide der in 4 gezeigten Puffer 178 und 184 bei anderen Implementierungen außerhalb der Schaltsteuerung 106 befinden.
Im Beispiel von 4 ist die Schaltsteuerung 106 mit den Parallelschnittstellen 166, 192, 168 und 170 über den Parallelbus 186 verbunden, der von den Parallelschnittstellen für den Hardwarebeschleuniger 112, den FPGA 190, den nichtflüchtigen Speicher 110 und den flüchtigen Speicher 108 gemeinsam genutzt wird. In einigen Implementierungen kann der Parallelbus 186 als ein Speicherbus arbeiten und beispielsweise ein High Bandwidth Memory-2-Bus (Speicher mit hoher Bandbreite, HBM-2-Bus einschließen. In anderen Implementierungen kann der Parallelbus 186 als CPU-Bus der Zentraleinheit arbeiten. Darüber hinaus kann der Parallelbus 186 als Adressbus mit Hardware-Adressen für die Komponenten auf dem Parallelbus 186 arbeiten.
In der in 4 gezeigten Implementierung des SoC 109 wird die übertragende SerDes-Schnittstelle 160₁ mit der Ausgangsparallelverbindung 161 zur Verbindung mit der Schaltsteuerung 106 verbunden. Die empfangende SerDes-Schnittstelle 162₁ wird mit der Eingangs-Parallelverbindung 163 zur Verbindung mit der Schaltsteuerung 106 verbunden. Die Parallelverbindungen 161 und 163 können jeweils mehrere Datenspuren aufnehmen und über die Parallelschnittstellen 175 bzw. 177 an die Schaltsteuerung 106 angeschlossen werden. In einigen Implementierungen können die Parallelverbindungen 161 und 163 HBM2-Verbindungen einschließen.
Die Schaltsteuerung 106 ist an den Parallelbus 186 angeschaltet, der über die Parallelschnittstellen 169A und 169B der Schaltsteuerung 106 mit dem Hardwarebeschleuniger 112, dem FPGA 190, dem nichtflüchtigen Speicher 110 und dem flüchtigen Speicher 108 verbunden ist. In einigen Implementierungen bearbeitet die Parallelschnittstelle 169A Daten, die in die Schaltsteuerung 106 eingegeben werden, während die Parallelschnittstelle 169B Daten bearbeitet, die von der Schaltsteuerung 106 ausgegeben werden. In anderen Implementierungen kann jede der Parallelschnittstellen 169A und 169B Daten bearbeiten, die in die Schaltsteuerung 106 eingegeben und von dieser ausgegeben werden.
Wie in 4 dargestellt, schließt die Schaltsteuerung 106 einen Puffer 184 für das Routing-Modul 180 ein, um über den Parallelbus 186 empfangene Daten zu inspizieren oder zu analysieren und um über den Parallelbus 186 zu sendende Daten anzuordnen oder zu packen. Daten, die von der Schaltsteuerung 106 über den Parallelbus 186 gesendet werden, können Daten einschließen, die über die Parallelverbindung 163 von der empfangenden SerDes-Schnittstelle 1621 empfangen wurden, die aus den vom optischen Modul 104 empfangenen optischen Signalen umgewandelt wurden. Die von der Schaltsteuerung 106 über die Parallelverbindung 163 empfangenen Daten werden im Puffer 178 gepuffert, damit das Routing-Modul 180 die empfangenen Daten inspizieren oder analysieren kann, bevor sie über den internen Bus 188 an den Puffer 184 übertragen werden oder bevor sie neu gepackt und über die Parallelschnittstelle 175 und die Ausgangsparallelverbindung 161 zurück an das optische Modul 104 übertragen werden.
Das Puffern von Daten, die von optischen Signalen im Puffer 178 empfangen werden, kann Deep Packet Inspection (gründliche Paketprüfung) und Routing innerhalb des Knotens 100 oder zurück aus dem Knoten 100 ermöglichen, wie vorstehend beschrieben. Wie bei der vorstehend beschriebenen, durch die SerDes-Schnittstellen 160₁ und 162₁ hinzugefügten Latenz kann das Puffern und Verarbeiten von Daten aus optischen Signalen jedoch die Latenz oder Verzögerung von optischen Signalen erhöhen, die über den Knoten 100 durch das Netzwerk 10 laufen. Die Verwendung optischer Koppelpunktschalter kann in ähnlicher Weise die zusätzliche Latenz durch Puffern und/oder Verarbeiten von Daten, die für einen anderen Knoten im Netzwerk 10 bestimmt sind, vermeiden.
Daten, die von der Schaltsteuerung 106 über den Parallelbus 186 empfangen werden, werden im Puffer 184 gepuffert, damit das Routing-Modul 180 die empfangenen Daten prüfen oder analysieren kann. Die gepufferten Daten können Daten einschließen, die von dem Hardwarebeschleuniger 112, dem FPGA 190, dem nichtflüchtigem Speicher 110 oder dem flüchtigem Speicher 108 empfangen werden. Das Routing-Modul 180 kann dann diese Daten an den Puffer 178 über den internen Bus 188 zur Übertragung von der Schaltsteuerung 106 über die Ausgangsparallelverbindung 161 zur übertragenden SerDes-Schnittstelle 160₁ zur Umwandlung in optische Signale, die vom optischen Modul 104 ausgegeben werden sollen, leiten.
Im Beispiel von 4 steuert das Bypass-Modul 182 den Betrieb des Schaltermoduls 164₁ , das wiederum die Aktivierung eines oder mehrerer optischer Koppelpunktschalter im optischen Modul 104 steuert. Das Bypass-Modul 182 kann ein höheres Maß an Kontrolle bieten als die im Schaltmodul 164₁ eingeschlossene Schaltung. In dieser Hinsicht kann das Bypass-Modul 182 z. B. einen Prozessor oder eine Steuerung einschließen, der/die computerausführbare Anweisungen (z. B. eine Firmware oder eine Anwendung) ausführt, um zu bestimmen, ob ein oder mehrere optische Signale, die nach einem anfänglichen optischen Signal empfangen werden, aus dem optischen Modul 104 geleitet werden sollen, ohne Daten aus den empfangenen optischen Signalen zu puffern oder ohne die optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten aus den optischen Signalen umzuwandeln.
In einigen Implementierungen kann das Bypass-Modul 182 eine Signalstärke eines empfangenen optischen Signals mit einer Schwellenwertsignalstärke vergleichen, bei der Bestimmung, ob nachfolgende optische Signale ohne Puffern von Daten von den optischen Signalen weitergeleitet werden sollen oder ob die nachfolgenden optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten aus den optischen Signalen umgewandelt werden sollen. In anderen Implementierungen kann das Bypass-Modul 182 eine Anzahl von Knoten im Netzwerk 10 bestimmen, die zuvor das anfängliche optische Signal empfangen haben, und die bestimmte Anzahl vorheriger Knoten mit einer Schwellenanzahl von Knoten vergleichen, um zu bestimmen, ob die nachfolgenden optischen Signale ohne Puffern von Daten aus den optischen Signalen oder Umwandeln der nachfolgenden optischen Signale in elektrische Signale geleitet werden sollen.
Beispiele und die weitere Beschreibung solcher Routing-Vorgänge sind in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 16/024,734 mit dem Titel „NODE CONFIGURATION IN OPTICAL NETWORK“ (Aktenzeichen des Anwalts: WDA-3752-US) bereitgestellt, die am 29. Juni 2018 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Beispiele für das Routing optischer Signale
5 zeigt Abschnitte eines optischen Moduls gemäß einer Ausführungsform. Für die in 5 gezeigten Komponenten mit ähnlichen Bezugszahlen wie die in 3 gezeigten Komponenten des optischen Moduls 104 gilt eine ähnliche Beschreibung wie vorstehend für 3 bereitgestellt.
Wie in 5 gezeigt, wird der optische Eingangsweg 156₁ mit den optischen Ausgangswegen 154₁ und 154₂ über die optischen Koppelpunktschalter 158₁ bzw. 158₄ verbunden. Darüber hinaus ist der optische Eingangsweg 156₂ mit den optischen Ausgangswegen 154₁ und 154₂ über die optischen Koppelpunktschalter 158₃ bzw. 158₂ verbunden. Mit dieser Anordnung können optische Signale, die vom optischen Modul 104 auf einem der optischen Eingangswege 156₁ oder 156₂ empfangen werden, selektiv auf einen der optischen Ausgangswege 154₁ oder 154₂ geleitet werden.
Jeder der optischen Koppelpunktschalter 158₁ , 158₂ , 158₃ und 158₄ im Beispiel von 5 schließt Ringresonatoren 191 ein, die selektiv durch einen elektrischen Signalmultiplexer des optischen Koppelpunktschalters aktiviert werden können, wie durch die elektrischen Signalmultiplexer 194₁ , 194₃ , 194₄ . Der elektrische Signalmultiplexer für den optischen Koppelpunktschalter 158₂ ist in 5 nicht dargestellt, um zu vermeiden, dass der optische Koppelpunktschalter 158₂ unnötig verkompliziert wird.
Die elektrischen Signalmultiplexer 194 können elektrische Aktivierungssignale von einem Schaltmodul, wie zum Beispiel dem Schaltmodul 164₁ , über die Verbindung 176₁ in 3 empfangen. In einigen Implementierungen können alle Resonatoren 191 in einem bestimmten optischen Koppelpunktschalter 158 gleichzeitig aktiviert werden. In anderen Implementierungen können ein oder mehrere Resonatoren aller Resonatoren 191 aktiviert werden, um nur bestimmte Kanäle oder Frequenzen des Lichts vom optischen Eingangsweg zum optischen Ausgangsweg zu leiten. Wie hier verwendet, kann sich die Aktivierung eines optischen Koppelpunktschalters auf die Aktivierung mindestens eines Abschnitts des optischen Koppelpunktschalters beziehen.
Im Beispiel von 5 wird der optische Koppelpunktschalter 158₁ aktiviert, sodass die Ringresonatoren 191₁ im optischen Koppelpunktschalter 158₁ erregt werden, um die auf dem optischen Eingangsweg 156₁ empfangenen optischen Signale auf den optischen Ausgangsweg 154₁ durchzuleiten. In ähnlicher Weise wird der optische Koppelpunktschalter 158₂ aktiviert, sodass der eine oder die mehreren Ringresonatoren 191₂ im optischen Koppelpunktschalter 158₂ erregt werden, um die auf dem optischen Eingangsweg 156₂ empfangenen optischen Signale auf den optischen Ausgangsweg 154₂ durchzuleiten.
Wie Durchschnittsfachleuten bekannt ist, können andere Implementierungen eines optischen Moduls andere Komponenten haben oder eine andere Anordnung von Komponenten als die in 5 gezeigten einschließen. Zum Beispiel können in anderen Implementierungen optische Koppelpunktschalter 158 eine andere Art von optischen Schaltern mit einer anderen Konstruktion sein. In dieser Hinsicht können optische Koppelpunktschalter 158 anstelle von Ringresonatoren 191 stattdessen Plattenresonatoren, Mach-Zehnder-Strukturen oder MEMS-Spiegel verwenden.
6 zeigt die Schalteranordnung 195 eines optischen Moduls nach einer Ausführungsform. Wie in 6 dargestellt, treten eine Vielzahl von optischen Eingangswegen 114A in die Schalteranordnung 195 ein und verbinden sich mit jedem optischen Ausgangsweg einer Vielzahl von optischen Ausgangswegen 114B an optischen Koppelpunktschaltern 158, die in 6 als schwarze Punkte am Schnittpunkt der optischen Wege dargestellt sind. Die Schalteranordnung 195 kann z. B. ein optisches Substrat einschließen, das Silizium, Siliziumnitrat und/oder III-V-Halbleitermaterialien als Wellenleiter für die optischen Wege einschließt.
Im Beispiel von 6 wird das optische Signal 1 über einen optischen Eingangsweg der optischen Eingangswege 114A empfangen. Der optische Koppelpunktschalter 158y entlang des optischen Eingangsweges in der Schalteranordnung 195 wird aktiviert oder erregt, sodass das optische Signal 1 aus der Schalteranordnung 195 auf dem optischen Ausgangsweg, der den optischen Eingangsweg am optischen Koppelpunktschalter 158y schneidet, herausgeführt oder umgelenkt wird. Wie vorstehend erwähnt, kann der optische Koppelpunktschalter 158y für alle Lichtkanäle oder -frequenzen oder nur für bestimmte Lichtkanäle oder -frequenzen aktiviert werden.
Das optische Signal 2 wird über einen anderen optischen Eingangsweg der optischen Eingangswege 114A empfangen. Der optische Koppelpunktschalter 158x entlang des optischen Eingangsweges in der Schalteranordnung 195 wird aktiviert oder erregt, sodass das optische Signal 2 aus der Schalteranordnung 195 auf dem optischen Ausgangsweg, der den optischen Eingangsweg am optischen Koppelpunktschalter 158x schneidet, herausgeführt oder umgelenkt wird. Wie vorstehend erwähnt, kann der optische Koppelpunktschalter 158x für alle Lichtkanäle oder -frequenzen oder nur für bestimmte Lichtkanäle oder -frequenzen aktiviert werden.
Andere Implementierungen können eine andere Einrichtung von optischen Wegen und optischen Koppelpunktschaltern einschließen. Beispielsweise können einige Implementierungen einen oder mehrere optische Eingangswege mit nur einem optischen Koppelpunktschalter oder optische Koppelpunktschalter für nur eine Teilmenge aller optischen Ausgangswege im optischen Modul 104 oder der Schalteranordnung 195 einschließen.
7 ist ein Flussdiagramm für ein optisches Signal-Routing-Verfahren gemäß einer Ausführungsform. In einigen Implementierungen kann der Prozess von 7 durch die Schaltsteuerung 106 oder Abschnitte davon, wie durch das Bypass-Modul 182 der Schaltsteuerung 106 in 4, ausgeführt werden. Wie vorstehend erwähnt, kann die Schaltsteuerung 106 computerausführbare Anweisungen, die in einem Speicher der Schaltsteuerung 106 gespeichert sind, ausführen, um optische Signal-Routing-Prozesse durchzuführen, wie den Prozess von 7. Dies kann normalerweise Anpassungen in solchen Routing-Prozessen ermöglichen, z. B. durch Ändern der Kriterien oder Schwellenwerte (z. B. eine optische Signalstärke oder eine Anzahl vorheriger Knoten), die verwendet werden, um zu bestimmen, ob bestimmte optische Signale ohne Puffern von Daten aus dem optischen Signal oder ohne Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal zum Verarbeiten von Daten aus dem optischen Signal geleitet werden sollen. Der Prozess von 7 kann von jedem Knoten in einem Datenverarbeitungssystem oder von einer Teilmenge von Knoten in einem Datenverarbeitungssystem durchgeführt werden, wie bestimmten Knoten, die mehrere optische Eingangswege und mehrere optische Ausgangswege einschließen.
Im Block 702 im Beispielprozess von 7 identifiziert die Schaltsteuerung 106 eine Adresse, die in einem optischen Signal eingeschlossen ist, das auf einem ersten optischen Eingangsweg empfangen wird, wie auf einem der optischen Eingangswege 114A in 6. Die Adresse kann einem Knoten im Netzwerk 10 oder einer Gruppe von Knoten im Netzwerk 10 entsprechen, die über einen bestimmten optischen Ausgangsweg des optischen Moduls 104 zugänglich sind.
Unter Bezugnahme auf das Beispiel des SoC 109 in 4 kann das Bypass-Modul 182 der Schaltsteuerung 106 auf eine Adresse aus den in Puffer 178 gespeicherten Daten für ein optisches Eingangssignal zugreifen oder diese identifizieren, z. B. mit Hilfe der Deep Packet Inspection. In einigen Implementierungen kann eine Zieladresse durch ein Flag angezeigt werden oder eine bestimmte Position einnehmen, wie in einem Header eines im Puffer 178 gepufferten Datenpakets. Die im Puffer 178 gepufferten Daten für das optische Signal können auch angeben, ob es sich um ein optisches Anfangssignal oder um ein Datenweg-Befehlssignal für eine nachfolgende Reihe von verwandten optischen Signalen handelt, die auf dem optischen Eingangsweg empfangen werden sollen.
In Block 704 bestimmt die Schaltsteuerung 106 einen optischen Koppelpunktschalter, der aus einer Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern, die mit dem ersten optischen Eingangsweg verbunden sind, basierend auf der identifizierten Adresse zu aktivieren ist. In einigen Implementierungen kann ein Adressierungsschema von Netzwerk 10 Informationen liefern, die mit einem bestimmten optischen Ausgangsweg korrelieren, der verwendet werden soll, um den oder die Knoten zu erreichen, die der identifizierten Adresse entsprechen. Zum Beispiel kann das Bypass-Modul 182 der Schaltsteuerung 106 eine Nachschlagetabelle verwenden, um die identifizierte Adresse mit einem optischen Koppelpunktschalter des optischen Moduls 104 zu korrelieren.
In Block 706 aktiviert die Schaltsteuerung 106 den bestimmten optischen Koppelpunktschalter, um die auf dem ersten optischen Eingangsweg empfangenen optischen Signale über einen entsprechenden optischen Ausgangsweg, der mit dem optischen Koppelpunktschalter verbunden ist, aus dem Knoten zu leiten. Zusätzlich zum Aktivieren des optischen Weges über den optischen Koppelpunktschalter kann die Schaltsteuerung 106 auch bestimmte elektrische Komponenten für einen elektrischen Weg im Knoten 100 deaktivieren oder sperren, um Strom zu sparen, während die optischen Signale aus dem Knoten 100 herausgeleitet werden, ohne Daten von den optischen Signalen zu puffern oder die optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten aus den optischen Signalen umzuwandeln.
Im Beispiel von 4 kann das Bypass-Modul 182 der Schaltsteuerung 106 ein Schaltmodul 164 so steuern, dass ein optischer Koppelpunktschalter 158 über einen Hochgeschwindigkeits-Silizium-Interposer 130B und eine Verbindung 176 im optischen Modul 104 aktiviert wird. Wie vorstehend behandelt, können einige Implementierungen nur bestimmte Resonatoren im optischen Koppelpunktschalter 158 aktivieren oder erregen, um optische Signale eines bestimmten Lichtkanals oder einer bestimmten Lichtfrequenz selektiv zu leiten.
In einigen Implementierungen kann ein optisch-elektrischer Wandler 153 auf dem optischen Eingangsweg ein auf dem optischen Eingangsweg empfangenes optisches Signal periodisch in ein elektrisches Signal umwandeln, um zu diagnostizieren oder zu beobachten, ob die Reihe verwandter optischer Signale beendet ist, oder um zu bestimmen, ob die Signalstärke oder -qualität unter einen Schwellenwert für Zeitanpassung, Fehlerkorrektur oder die Umwandlung der anderen optischen Signale in stärkere oder korrigierte optische Signale zur erneuten Übertragung vom Knoten 100 gefallen ist. In einigen Fällen kann das erste optische Signal einen Hinweis darauf bereitstellen, wie lange der optische Koppelpunktschalter aktiviert bleiben sollte, was auf einer Größe der von den optischen Signalen übertragenen Daten basieren kann. In anderen Fällen kann eine Abschlussbestätigung vom Zielknoten auf einem separaten optischen Weg gesendet, aber durch dieselben Knoten geleitet werden (d. h. ein Rückweg), um schnell optische Koppelpunktschalter anzuzeigen, die deaktiviert werden können. In wieder anderen Fällen kann während der periodischen Beobachtung der optischen Signale ein Ende-Befehl empfangen werden, der den Schaltsteuerung 106 veranlasst, den optischen Koppelpunktschalter zu deaktivieren und alle elektrischen Komponenten, die während des optischen Routings über den Koppelpunktschalter möglicherweise ausgeschaltet waren, zu aktivieren oder einzuschalten.
8 zeigt die Schalteranordnungen 195₁ , 195₂ , 195₃ und 195₄ eines optischen Moduls nach einer Ausführungsform. Wie in 8 dargestellt, schließt jeder optische Weg einen optischen Verstärker 196 zum Verstärken von optischen Signalen ein, die beim Durchlaufen von Komponenten des optischen Moduls, wie den Wellenleitern der optischen Wege, Kopplern und optischen Koppelpunktschaltern, möglicherweise etwas an Signalstärke verloren haben. Optische Verstärker 196 können z. B. III-V-Halbleitermaterialien einschließen.
Im Beispiel von 8 ist jeder der optischen Eingangswege 114A und 115A mit jedem der optischen Ausgangswege 114B und 115B über einen entsprechenden optischen Koppelpunktschalter am Schnittpunkt der optischen Wege in einer der Schalteranordnungen 195₁ , 195₂ , 195₃ oder 195₄ verbunden. Wie in der gleichzeitig anhängigen, am 29. Juni 2018 eingereichten und durch vorstehende Bezugnahme einbezogenen US-Anmeldung Nr. 16/024,734 und unter Bezugnahme auf die Beschreibung der vorstehenden 7 ausführlicher behandelt, können bestimmte Gruppen von optischen Signalen zeitlich angepasst oder in optische Signale mit korrigierten Daten oder verbesserter Signalstärke umgewandelt werden. In solchen Fällen kann ein anfängliches optisches Signal dazu verwendet werden, eine Signalstärke oder eine Anzahl vorhergehender Knoten zu bestimmen, die das anfängliche optische Signal empfangen, das verwendet werden kann, um zu bestimmen, ob nachfolgende optische Signale vor der Übertragung an einen nächsten Knoten im Netzwerk durch den Knoten zeitlich angepasst oder umgewandelt werden.
Wie vorstehend behandelt, verbessern die vorgenannten Anordnungen einer Knotenvorrichtung normalerweise die Bandbreite und die Datenübertragungsraten zwischen den Komponenten innerhalb des Knotens, z. B. durch Verwenden eines Parallelbusses oder von Parallelverbindungen zwischen einer Schaltsteuerung und anderen Komponenten im Knoten. Solche Verbindungen können, wie bei Silizium-Brücken, zusätzlich zum Verwenden einer MCM-Konstruktion für den Knoten Platz sparen.
Darüber hinaus kann die Verwendung optischer Koppelpunktschalter den Stromverbrauch von Knoten reduzieren und gleichzeitig die Geschwindigkeit erhöhen, mit der Daten durch ein Netzwerk von Knoten gesendet werden können, indem optische Signale selektiv durch den Knoten geleitet werden, ohne dass eine Hop-Latenz für das Puffern von Daten aus den optischen Signalen oder eine anderes Verarbeiten von Daten aus den vom Knoten geleiteten optischen Signalen entsteht. Da optische Signale bei einem gegebenen Ausmaß von Latenz eine größere Anzahl von Knoten durchlaufen können, kann das vorstehend beschriebene Routing optischer Signale normalerweise mehr Knoten in einem Netzwerk ermöglichen, indem eine geringere Anzahl optischer Verbindungen zwischen den Knoten besser ausgenutzt wird. Die Verwendung von optischen Verstärkern und/oder Schalteranordnungen wie in den vorstehend beschriebenen 6 und 8 kann die Interkonnektivität von optischen Knoten innerhalb eines Netzwerks weiter verbessern.
Weitere Ausführungsformen
Für Durchschnittsfachleute versteht sich, dass die verschiedenen veranschaulichenden Logikblöcke, Module, und Prozesse, Komponenten, Verfahren und Algorithmen, die in Verbindung mit den hierin beschriebenen Beispielen offenbart werden, als elektronische Hardware, Computersoftware oder Kombinationen von beiden implementiert werden können. Darüber hinaus können die vorgenannten Prozesse auf einem computerlesbaren Medium verkörpert sein, das einen Prozessor oder eine Steuerung veranlasst, bestimmte Funktionen auszuführen oder zu erfüllen.
Um diese Austauschbarkeit von Hardware und Software klar zu veranschaulichen, wurden vorstehend verschiedene veranschaulichende Komponenten, Blöcke und Module im Allgemeinen hinsichtlich ihrer Funktionalität beschrieben. Ob eine derartige Funktionalität als Hardware oder Software implementiert ist, hängt von der spezifischen Anwendung und Designeinschränkungen ab, denen das Gesamtsystem unterliegt. Durchschnittsfachleute können die beschriebene Funktionalität für jede spezielle Anwendung auf unterschiedliche Weise implementieren, aber solche Implementierungsentscheidungen sollten nicht so interpretiert werden, als dass sie eine Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung bewirkten.
Die verschiedenen veranschaulichenden Logikblöcke, Einheiten und Module, die in Verbindung mit den hierin offenbarten Beispielen beschrieben werden, können mit einem Prozessor oder einer Steuerung, wie einer CPU, einer MPU, einer MCU oder einem DSP, implementiert oder ausgeführt werden und können z. B. ein FPGA, einen ASIC oder eine andere programmierbare logische Vorrichtung, diskrete Gate- oder Transistorlogik, diskrete Hardwarekomponenten oder eine beliebige Kombination davon einschließen, die zur Ausführung der hierin beschriebenen Funktionen konstruiert ist. Ein Prozessor oder eine Steuerung kann auch als eine Kombination von Rechenvorrichtungen, wie eine Kombination aus einem DSP und einem MPU, einer Vielzahl von MPUs, einem oder mehreren MPUs in Verbindung mit einem DSP-Kern oder einer beliebigen anderen derartigen Einrichtung, implementiert sein. In einigen Implementierungen kann die Steuerung oder der Prozessor mindestens einen Teil eines SoCs bilden.
Die Aktivitäten eines Verfahrens oder eines Prozesses, die in Verbindung mit den hier offenbarten Beispielen beschrieben werden, können direkt in Hardware, in einem Softwaremodul, das von einem Prozessor oder einem Controller ausgeführt wird, oder in einer Kombination aus Hardware und Software umgesetzt sein. Die Schritte des Verfahrens oder des Algorithmus können auch in einer von den in den Beispielen angegebenen Schritten abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden. Ein Softwaremodul kann sich in einem RAM-Speicher, Flash-Speicher, ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher, anderen Arten von Festkörperspeichern, Registern, einer auf einer Festplatte, einem Wechselmedium, einem optischen Medium oder jeder anderen Form von Speichermedien befinden, die in der Technik bekannt sind. Ein beispielhaftes Speichermedium ist mit einem Prozessor oder einer Steuerung gekoppelt, sodass der Prozessor oder die Steuerung Informationen vom Speichermedium lesen und Informationen auf das Speichermedium schreiben kann. Alternativ dazu kann das Speichermedium integraler Bestandteil des Prozessors oder der Steuerung sein.
Die vorstehende Beschreibung der offenbarten Ausführungsbeispiele wird bereitgestellt, um es einem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die Ausführungsformen in der vorliegenden Offenbarung herzustellen oder zu verwenden. Verschiedene Modifikationen an diesen Beispielen werden Durchschnittsfachleuten ohne Weiteres ersichtlich sein, und die hier offenbarten Prinzipien können auf andere Beispiele angewandt werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 16024734 [0060, 0079]

Claims

Multi-Chip-Modul (MCM), aufweisend: ein Substrat; eine Schaltsteuerung auf dem Substrat; und ein optisches Modul auf dem Substrat, das mindestens einen optischen Koppelpunktschalter einschließt, der dazu eingerichtet ist, ein von dem optischen Modul empfangenes optisches Signal selektiv aus dem MCM zu leiten, ohne dass das MCM Daten von dem empfangenen optischen Signal puffert oder ohne das empfangene optische Signal in ein elektrisches Signal zum Verarbeiten von Daten von dem empfangenen optischen Signal durch die Schaltsteuerung umzuwandeln.
MCM gemäß Anspruch 1, wobei das optische Modul weiterhin einschließt: einen optischen Eingangsweg, der eingerichtet ist, um optische Signale von außerhalb des MCM zu empfangen; und einen optisch-elektrischen Wandler, der eingerichtet ist zum Umwandeln von auf dem optischen Eingangsweg empfangenen optischen Signalen in elektrische Signale zum Senden an die Schaltsteuerung.
MCM gemäß Anspruch 2, wobei das optische Modul weiterhin einschließt: einen optischen Ausgangsweg, der eingerichtet ist, um optische Signale von dem MCM nach außerhalb des MCM zu übertragen; einen elektrisch-optischen Wandler, der eingerichtet ist, um elektrische Signale, die von der Schaltsteuerung empfangen werden, in optische Signale umzuwandeln, die außerhalb des MCM über den optischen Ausgangsweg zu übertragen sind; und einen optischen Koppelpunktschalter von dem mindesten einen optischen Koppelpunktschalter, der den optischen Eingangsweg und den optischen Ausgangsweg verbindet, wobei der optische Koppelpunktschalter dazu eingerichtet ist, von dem MCM empfangene optische Signale aus dem MCM selektiv über den optischen Ausgangsweg zu leiten, ohne dass das MCM Daten von den selektiv geleiteten optischen Signalen puffert, oder ohne die selektiv geleiteten optischen Signale durch den optisch-elektrischen Wandler in elektrische Signale umzuwandeln.
MCM gemäß Anspruch 3, weiterhin aufweisend: eine Eingangs-Serialisator/Deserialisator-Schnittstelle (SerDes-Schnittstelle), die mit dem optisch-elektrischen Wandler für den optischen Eingangsweg verbunden ist; eine parallele Eingangsverbindung, die die Eingangs-SerDes-Schnittstelle mit der Schaltsteuerung verbindet; eine Ausgangs-SerDes-Schnittstelle, die mit dem elektrisch-optischen Wandler für den optischen Ausgangsweg verbunden ist; und eine parallele Ausgangsverbindung, die die Schaltsteuerung mit der Ausgangs-SerDes-Schnittstelle verbindet.
MCM gemäß Anspruch 1, wobei das MCM als ein Knoten in einem Netzwerk von Knoten dient und wobei das MCM optisch mit mindestens einem anderen Knoten in dem Netzwerk verbunden ist.
MCM gemäß Anspruch 5, wobei die Schaltsteuerung weiterhin eingerichtet ist zum: Identifizieren einer Adresse aus einem durch das optische Modul empfangenen optischen Signal entsprechend einem oder mehrerer Knoten in dem Netzwerk; und Bestimmen, ob ein optischer Koppelpunktschalter des mindestens einen optischen Koppelpunktschalters basierend auf der identifizierten Adresse aktiviert werden soll.
MCM gemäß Anspruch 1, wobei das optische Modul weiterhin einschließt: eine Vielzahl von optischen Eingangswegen; und eine Vielzahl von optischen Ausgangswegen, und wobei jeder optische Eingangsweg der mehreren optischen Eingangswege mit mindestens zwei optischen Ausgangswegen der mehreren optischen Ausgangswege über jeweilige optische Koppelpunktschalter verbunden ist, die so konfiguriert sind, dass sie optische Signale, die von dem MCM auf dem optischen Eingangsweg empfangen werden, selektiv aus dem MCM über einen entsprechenden optischen Ausgangsweg der mindestens zwei optischen Ausgangswege herausleiten, ohne dass das MCM Daten von den selektiv weitergeleiteten optischen Signalen puffert oder ohne dass die selektiv geleiteten optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten von den selektiv geleiteten optischen Signalen durch das MCM umgewandelt werden.
MCM gemäß Anspruch 7, wobei das optische Modul weiterhin einen optischen Verstärker an jedem optischen Weg von mindestens einem der Vielzahl von optischen Eingangswegen und der Vielzahl von optischen Ausgangswegen einschließt.
MCM gemäß Anspruch 7, wobei die Schaltsteuerung weiterhin eingerichtet ist zum: Identifizieren einer Adresse von einem optischen Signal, das auf einem ersten optischen Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswege empfangen wird, wobei die Adresse einem oder mehreren Knoten in einem Netzwerk entspricht; Bestimmen eines optischen Koppelpunktschalters von einer Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern, die mit dem ersten optischen Eingangsweg verbunden sind, der basierend auf der identifizierten Adresse zu aktivieren ist; und Aktivieren des bestimmten optischen Koppelpunktschalters, um optische Signale, die auf dem ersten optischen Eingangsweg empfangen werden, über einen entsprechenden optischen Ausgangsweg, der mit dem bestimmten optischen Koppelpunktschalter verbunden ist, aus dem MCM zu leiten.
MCM gemäß Anspruch 1, wobei das optische Modul weiterhin einschließt: einen optischen Ausgangsweg, der eingerichtet ist, um optische Signale von dem MCM nach außerhalb des MCM zu übertragen; und einen elektrisch-optischen Wandler, der eingerichtet ist zum: Wandeln von elektrischen Signalen, die von der Schaltsteuerung empfangen wurden, in optische Signale, die außerhalb des MCM über den optischen Ausgangsweg zu übertragen sind; und Multiplexen mehrerer optischer Signale zur gleichzeitigen Übertragung auf dem optischen Ausgangsweg.
MCM gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: mindestens einen Speicher auf dem Substrat; und eine Parallelschnittstelle zwischen dem mindestens einen Speicher und der Schaltsteuerung.
MCM gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: mindestens eines von einem Hardwarebeschleuniger, einem Prozessor und einem Field Programmable Gate Array (FPGA) auf dem Substrat und wobei der mindestens eine vom Hardwarebeschleuniger, Prozessor und FPGA mit der Schaltsteuerung elektrisch über eine Parallelschnittstelle verbunden sind.
Vorrichtung, aufweisend: ein Substrat; eine Schaltsteuerung auf dem Substrat; ein optisches Modul auf dem Substrat, das dazu eingerichtet ist, mit mindestens einer Komponente außerhalb der Vorrichtung zu kommunizieren; mindestens einen Speicher auf dem Substrat; und einen Parallelbus, der den mindestens einen Speicher und die Schaltsteuerung verbindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, die weiterhin mindestens eines von einem Hardwarebeschleuniger, einem Prozessor und einem Field Programmable Gate Array (FPGA) auf dem Substrat aufweist und mit der Schaltsteuerung über den Parallelbus verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul und die Schaltsteuerung mit mindestens einer Serialisator/Deserialisator-Schnittstelle (SerDes-Schnittstelle) verbunden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, weiterhin aufweisend: eine Eingangs-SerDes-Schnittstelle, die mit dem optischen Modul verbunden ist; eine parallele Eingangsverbindung, die die Eingangs-SerDes-Schnittstelle mit der Schaltsteuerung verbindet; eine Ausgangs-SerDes-Schnittstelle, die mit dem optischen Modul verbunden ist; und eine parallele Ausgangsverbindung, die die Schaltsteuerung mit der Ausgangs-SerDes-Schnittstelle verbindet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul mindestens einen optischen Koppelpunktschalter zum selektiven Routen eines empfangenen optischen Signals durch das optischen Modul aus der Vorrichtung einschließt, ohne dass die Vorrichtung Daten aus dem optischen Signal puffert oder ohne das empfangene optische Signal in ein elektrisches Signal zum Verarbeiten von Daten des optischen Signals durch die Schaltsteuereinheit umzuwandeln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul einschließt: einen optischen Eingangsweg, der eingerichtet ist zum Empfangen von optischen Signalen von außerhalb der Vorrichtung; einen optisch-elektrischen Wandler, der eingerichtet ist zum Umwandeln von auf dem optischen Eingangsweg empfangenen optischen Signalen in elektrische Signale zum Senden an die Schaltsteuerung; einen optischen Ausgangsweg, der eingerichtet ist zum Übertragen optischer Signale von der Vorrichtung nach außerhalb der Vorrichtung; einen elektrisch-optischen Wandler, der eingerichtet ist zum Umwandeln elektrischer Signale, die von der Schaltsteuerung empfangen werden, in optische Signale, die außerhalb der Vorrichtung über den optischen Ausgangsweg zu übertragen sind; und einen optischen Koppelpunktschalter, der den optischen Eingangsweg und den optischen Ausgangsweg verbindet, wobei der optische Koppelpunktschalter dazu eingerichtet ist, von der Vorrichtung empfangene optische Signale aus der Vorrichtung selektiv auf dem optischen Ausgangsweg zu leiten, ohne dass die Vorrichtung Daten von den selektiv geleiteten optischen Signalen puffert, oder ohne die selektiv geleiteten optischen Signale durch den optisch-elektrischen Wandler in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten von den selektiv geleiteten optischen Signalen durch die Schaltsteuerung umzuwandeln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das optische Modul einschließt: eine Vielzahl von optischen Eingangswegen; und eine Vielzahl von optischen Ausgangswegen, und wobei jeder optische Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswegen mit mindestens zwei optischen Ausgangswegen der Vielzahl von optischen Ausgangswegen über jeweilige optische Koppelpunktschalter verbunden ist, die so eingerichtet sind, dass sie optische Signale, die von der Vorrichtung auf dem optischen Eingangsweg empfangen werden, selektiv aus der Vorrichtung über einen entsprechenden optischen Ausgangsweg der mindestens zwei optischen Ausgangswege herausleiten, ohne dass die Vorrichtung Daten von den selektiv weitergeleiteten optischen Signalen puffert oder ohne dass die selektiv weitergeleiteten optischen Signale in elektrische Signale zum Verarbeiten von Daten von den selektiv weitergeleiteten optischen Signalen durch die Schaltsteuerung umgewandelt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei das optische Modul weiterhin einen optischen Verstärker an jedem optischen Weg von mindestens einem der Vielzahl von optischen Eingangswegen und der Vielzahl von optischen Ausgangswegen einschließt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei die Schaltsteuerung weiterhin eingerichtet ist zum: Identifizieren einer Adresse aus einem optischen Signal, das auf einem ersten optischen Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswegen empfangen wird, wobei die Adresse einem oder mehreren Knoten in einem Netzwerk entspricht, das mit dem optischen Modul der Vorrichtung verbunden ist; Bestimmen eines optischen Koppelpunktschalters von einer Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern, die mit dem ersten optischen Eingangsweg verbunden sind, der basierend auf der identifizierten Adresse zu aktivieren ist; und Aktivieren des bestimmten optischen Koppelpunktschalters, um optische Signale, die auf dem ersten optischen Eingangsweg empfangen werden, über einen entsprechenden optischen Ausgangsweg, der mit dem bestimmten optischen Koppelpunktschalter verbunden ist, aus der Vorrichtung zu leiten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Vorrichtung ein Multi-Chip-Modul (MCM) ist.
Multi-Chip-Modul (MCM), aufweisend: eine Vielzahl von optischen Eingangswegen zum Empfangen von optischen Signalen von außerhalb des MCM; eine Vielzahl von optischen Ausgangswegen zum Übertragen von optischen Signalen von dem MCM; und eine Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern, wobei jeder optische Koppelpunktschalter der Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern einen optischen Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswegen mit einem optischen Ausgangsweg der Vielzahl von optischen Ausgangswegen verbindet; und wobei jeder optische Koppelpunktschalter der Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern so eingerichtet ist, dass er optische Signale, die auf dem optischen Eingangsweg empfangen werden, der mit dem optischen Koppelpunktschalter verbunden ist, selektiv zu dem optischen Ausgangsweg leitet, der mit dem optischen Koppelpunktschalter verbunden ist.
MCM gemäß Anspruch 23, wobei jeder optische Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswegen mit jedem optischen Ausgangsweg der Vielzahl von optischen Ausgangswegen über einen jeweiligen optischen Koppelpunktschalter der Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern verbunden ist.
MCM gemäß Anspruch 23, wobei ein optischer Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswegen mit einer Teilmenge der Vielzahl von optischen Ausgangswegen über die jeweiligen optischen Koppelpunktschalter der Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern verbunden ist.
MCM gemäß Anspruch 23, weiterhin aufweisend einen optischen Verstärker an jedem optischen Weg von mindestens einem der Vielzahl von optischen Eingangswegen und der Vielzahl von optischen Ausgangswegen.
MCM gemäß Anspruch 23, weiterhin aufweisend eine Schaltsteuerung, die eingerichtet ist zum: Identifizieren einer Adresse aus einem optischen Signal, das auf einem ersten optischen Eingangsweg der Vielzahl von optischen Eingangswegen empfangen wird, wobei die Adresse einem oder mehreren Knoten in einem mit dem MCM verbundenen Netzwerk entspricht; Bestimmen eines optischen Koppelpunktschalters der Vielzahl von optischen Koppelpunktschaltern, die mit dem ersten optischen Eingangsweg verbunden sind, der basierend auf der identifizierten Adresse zu aktivieren ist; und Aktivieren des bestimmten optischen Koppelpunktschalters, um optische Signale, die auf dem ersten optischen Eingangsweg empfangen werden, über einen entsprechenden optischen Ausgangsweg, der mit dem bestimmten optischen Koppelpunktschalter verbunden ist, aus dem MCM zu leiten.