JP4290652B2 - 光学的ファンアウト・ブロードキャスト接続 - Google Patents

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Description

（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は一般にコンピュータおよび／またはそのサブシステム、ならびにネットワークおよび／またはそのサブシステム用の光学的相互接続に関する。本発明はより詳細には、ファンアウト用およびブロードキャスト送信用信号リンクに関する。
（関連技術の説明）
超並列処理装置の理論と実際である平行分布処理（ＰＤＰ）は、１９６０年代の最初のスーパーコンピュータ以前にさかのぼる。実際には高性能平行分布処理装置は、いくつかの互いに関連する理由によって達成が困難である。式の物理的な側面では、ｎ個の処理装置またはノード間の相互接続は処理装置数の二乗（ｎ２）に比例して増加する。物理的な体積はパッケージングごとの処理装置数ｎ、および相互接続線数ごとの処理装置数の二乗ｎ２に比例して増加する。静電容量に起因するレイテンシーはノッド間平均距離に比例して増加するとともに、処理装置数ｎにも比例する。熱除去の困難さは、表面積対体積率を理由に処理装置数の平方根（ｎ１／２）に比例して増加する。式の論理的な面では、メッセージコストはブロードキャストモードでは一定であり、リレーモードではｎだけ増加することができる。ソフトウェアへの影響は、平行分布処理のアルゴリズムの複雑性の増加を理由に、おおよそｎ２に比例する。これら全要因を考慮に入れると、ノードあたりの全コストはノード数よりもより急速に増加する。必要とされるものは、これらスケーリング問題の一部またはすべてを克服する平行分散処理、設計および動作の方法である。現在性能が最も良いものはＮＥＣの「Ｅａｒｔｈ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ」であり、３５．８６テラフロップで首位である。（１テラフロップ＝１０００ギガフロップ。フロップは浮動小数点演算であり、「フロップ」は通常１秒あたりのフロップ数を示す。）現在のスーパーコンピュータの長丁場の競争には多くの興味深く新しい参入がみられるが、エネルギー省の高性能シミュレーション・イニシアチブ（ＡＳＣＩ）が、主要企業に資金提供している。その中でも最新のものはＩＢＭによって構築された第５世代システムである。ＡＳＣＩパープル（ＡＰ）は、時間通りに予算内でできれば、２００５年までにはギガフロップあたり約５５０米ドルという予測コストで、単一の機器においては１００テラフロップの性能値のオプションを有する。（１ギガフロップは１秒あたり１０億回の演算である。）これは、過去のＡＳＣＩ ＱおよびＡＳＣＩ Ｗｈｉｔｅ機の約１２倍の性能となる。これとは対照的に、現在のパソコンは一般に７５０米ドル／ＧＦである。（最低のコストはおそらく５００米ドル／ＧＦ、すなわちＡＳＣＩパープルより実際安い。）このことは、１００テラフロップ（ＴＦ）（１テラフロップ＝１０００ギガフロップ）の値を達成するために必要なプロセッサの数が約１３，０００増加するという要因を考慮すると、規模の経済性は存在しないかわずかであることを明らかに示している。ＡＳＣＩパープル（ＡＰ）の重量は１９７トンであり、バスケットボールコート２面の面積を占めると推定される。（容積は指示されていない。）ＡＰは、Ｐｏｗｅｒ５マイクロプロセッサ１２，４３３個、１５６，０００ＧＢｓ（１秒あたりのギガバイト）の全メモリ帯域および約５０テラバイト（百万メガバイト）のメモリを有するであろう。電力損失は、メモリ、記憶装置、経路設定ハードウェアおよびプロセッサを考慮すると、４〜８ＭＷ（メガワット）となるであろう。同社のシステムオンチップ（ＳＯＣ）技術に基づくＩＢＭのＢｌｕｅ ＧｅｎｅＴＭ／Ｌ（ＢＧＬ）は、占有空間が４倍少なく、消費電力も５倍少なく、３００〜４００テラフロップのレベルで機能すると予想されている。ギガフロップあたりのコストは、上記と同様６００ＵＳドル／ＧＦであろう。ＢＧＬ中の６５，０００ノードそれぞれは、２個のＰｏｗｅｒ ＰＣ、４個の浮動小数点演算ユニット、８メガバイトの埋め込みＤＲＡＭ、メモリ制御装置、ギガバイトＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）用のサポートおよび３個の相互接続モジュールを含むであろう。トランジスタ全数は、約５００万と予測され、大きく高価かつ比較的大きい電力を要求するノードを構成する。相互技術はトラスの技術であり、各ノードは６個の近傍ノードに直接接続している。システム中での全ノードを同期させるために、「ブロードキャストツリー」と呼ばれるハードウェアが必要である。演算を開始するブロードキャストモードを確立するためには、例えば数マイクロ秒が必要であろう。ノードのハードウェア補数を完成させるためには、コネクタを伴う（全部で３５６Ｍバイトの）９個のメモリチップが予想される。４個のノードが４×２インチのプリント回路カード上に配置されるであろう。
何十万〜何百万の材料の相互接続が存在する場合（例：ワイヤ、コネクタ、半田付け結合部、接着）、これら既存機器の信頼性が大きな懸念となる。必要となるのは、信頼性を高めたスーパーコンピュータ設計への取り組みである。
さらに、現在のスーパーコンピュータが直面する主な未解決の問題は、産業界では他のどこでもみられる規模の経済性をどのように達成するかである。何万個のプロセッサを有する機器は、ギガフロップあたりでは、単一のプロセッサのみを有する消費財ＰＣと同じだけコストがかかる。スーパーコンピュータのスケーリングにおけるこの進歩の欠如の理由の一部は、相互接続問題にはまだ満足のいくソルーションが見出されていないことである。現在のソルーションを採用すると、プロセッサ間のメッセージを運搬するために、低速でかさの大きい外部ハードウェアに依存しなければならない。関連した問題は、ノード数が増加するにつれ通信が遅延することであり、これは収益逓減の法則が始まることを意味している。この問題は業界を、通信のボトルネックを補償するために、より高速な処理ノードに向かうよう駆り立てられている。しかし、より低速で高性能のノードを使用すると、ノードあたりのコストおよび全電力消費量を増加させる。通信問題がより合理的な態様で可決されるなら、小さく、低速で高性能のプロセッサを効果的に使用できたであろう。
ブロードキャスト送信は、平行コンピュータ相互接続の主要な特徴である。これは、同期用に使用され、メモリシステムの一貫性制御およびバーチャルメモリ等、多くの種類の演算およびアプリケーションに固有である。現在のスーパーコンピュータで動作する多くのアプリケーションは、ブロードキャスト送信に適した帯域を有する比較的小さい平行処理コンピュータ用に数十年前に記述された。これらプログラムは、現在の大規模平行処理機上での動作性能は良くない。クロスバーおよびファットツリーに基づく一般に使用される相互接続、およびｎ個の相互接続ノードを有する既存の並行処理コンピュータは、ブロードキャスト送信中に２個のチャネルを消費し、ポートおよび二分帯域幅はブロードキャスト送信時にはほとんど変化しない。
ファットツリーおよびクロスバー相互接続を使用する大規模並行処理高性能コンピュータは、短いメッセージのノンブロッキングブロードキャスト送信に対するソフトウェア要件との不適合を問題としている。最も一般的な二つのネットワーク機能は、ＡｌｌｒｅｄｕｃｅおよびＳｙｎｃの同時にブロードキャスト送信される１単語のメッセージである。これらブロードキャストはファットツリー相互接続において過大な帯域を使用するため、システム性能が低下する。全対全通信と呼ばれるもう一つ機能では、スーパーコンピュータ中の各演算ノードが演算中に他のすべてのノードに対して高頻度に通信する必要があり、現代の相互接続スキームにおいては不可欠な機能上の能力である。さらに、これら全対全メッセージは一般に短く、長さが２〜３バイトである。全対全機能を要する高頻度に使用されるアルゴリズムは、マトリクス置換および反転、フーリエ変換、ソーティングの平行バージョンを含んでいる。全対全機能を実装する最も効果的な方法は、ブロードキャスト送信能力に基づいて行うことである。現時のシステムは情報をブロードキャスト送信することができるが、それはブロードキャスト送信機能をシミュレートすることのみによって達成される。したがって、全対全機能を実装するシステムの能力は不十分である。
相互接続問題に対するソルーションが不十分なため、スーパーコンピュータの良好な性能を達成するため入手可能な最も強力なプロセッサを各ノード中に埋め込んで、より高速なプロセッサおよびより高いチャネル帯域によって相互説に固有の問題を隠すという一般的な仮説が導き出されている。これら他の問題のうちいくつかがより効果的に解決されれば、妥協策も可能である。より適切な相互接続に基づく妥協策は、集積化および性能が最先端ではないプロセッサを利用して、より大きく能力の高いコンピュータと同程度に、低コストおよび電飾消費のスーパーコンピュータを製作することである。勿論、提案されたシステム中のノードとして、超性能プロセッサを使用することは決して妨げられないが、コスト、能力とも大幅に上昇するであろう。
現在のスーパーコンピュータアーキテクチャは、せいぜい８方向マルチスレディングを使用しているにすぎず、このことは最大８個まで独立したプログラムスレッドに対するハードウェアのサポートがあることを示している。みとめられるマルチタスキングはソフトウェアによって処理される。この解決策は、理論的には通信ボトルネックの問題を緩和し、データ依存性の問題の克服を支援するものであるが、文字通りもとの病気より悪い。その理由は、そのためノードは、タスクに対する分解複素によって最初に得られるよりも、より多くの時間をソフトウェア中のシステムのタスク管理に費やしているからである。必要とされることは、大きさがブリーフケースのサイズから小さな事務所用ビルに渡る範囲で、また２〜３テラフロップから２〜３ペタフロップまでの範囲にわたるスーパーコンピュータに対して測定可能かつ費用高価の高い方法である。（１ペタフロップ＝１０００テラフロップ。）
現時の相互接続は、必ず材料バスおよびクロスバーに基づいている。データ速度が上昇しデータプロセッサが高速になるにつれ、データ処理ノード間の電気通信はより電力集約型となり高価になる。システム内で通信する処理ノードの数が増加するにつれ、距離および静電容量の増加およびワイヤ数、クロスバーの容積および質量・電力消費の幾何学的な増加による煩わしさのため、電気通信はより低速となる。電気相互接続は、その適用性において限界に近づきつつある。データを取り扱うさらに高速のプロセッサの能力に合致するよう速度要件が高まるにつれ、より高速の電気相互接続は、端末部の電力消費が増加するインピーダンスを制御した送信線にもとづくべきである。マイクロストリップ線を使用しても、これらの配線は完全接続されたシステムでは（異なる広範な層において）交差するため、部分的なソルーションにすぎない。通信チャネルに非常に近接することによって、クロストークが発生し、これは隣接するチャネルではノイズとして認識される。光にもとづく相互接続では、これら問題はいずれも発生しない。
光学的相互接続は、長い間理想的なソルーションと認識されてきたものの、現在もまだ実験段階にあり、実用的な光学系は少数のプロセッサを接続するにすぎない。現在の光ソルーションに関する主な問題は概念的であり、必要以上に複雑な問題を解決しようとしている。この限定的な見方はタスクまたはスレッドのバージョンが限定されていることを起源としている。ＣＰＵの諸経費がメッセージが到着するごとに演算タスクから通信タスクへと切り換えることが要求される場合、マルチプロセッサシステム全体の考えられる演算の拡散によって、時間のほとんどを切り換えコストに使用してしまうこととなるであろう。この受け入れがたい状況に対する回避策は、Ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ（商標）およびＴｒａｎｓｐｕｔｔｅｒ（商標）等のマンハッタンアーキテクチャで行われているような、文字通り１対１の接続を作成することである。このようにして、各メッセージの発信元および宛先は配線接続によって決定される。この考え方は、光スキームにそのまま流用され、光スキームでは各レシーバ専用のエミッタおよび各エミッタ用の単一のレシーバが存在する。何十万のノードに対して動作する光システムにとって、機械的な配列は克服できない悪夢である。
長年にわたって、多数の大学および官民の研究所は、マルチプロセッサ演算、通信切り換え、データベース検索およびその他特定アプリケーション用に、自由空間光学的相互接続（ＦＳＯＩ）法を検討してきた。ＦＳＯＩの研究および実行の大半は、エミッタの複数のアレイからのナロービーム、一般的には細いレーザー光および受光器の複数アレイ、を用いた１対１通信を達成する方法を見出すことであった。垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）およびＶＣＳＥＬの集積アレイの開発は、ナロービームＦＳＯＩ領域における研究の推進力となった。ＦＳＯＩの克服すべき主な問題は、各レーザーが特定のレシーバに照射されることを必要とする配列、および機械的な堅牢性である。米国特許第６，５０９，９９２号は、冗長な光路のシステムを開示することによって誤配列および堅牢性の問題に対処している。チャネル監視デバイスによって誤った配列が検出されると、代替経路が選択される。
エミッタのアレイが光を空間全体にわたってレシーバアレイまで透過させる非折り畳み型構造、およびエミッタとレシーバが同一平面に配置されている折り畳み型構造の両方が試みられてきた。大部分のＦＳＯＩは、１エミッタ１レシーバの仮定を理由に、直接的なブロードキャスト送信能力に欠けている。
ポイントツーポイント光通信では、細く集束されたレーザービームが単一のレシーバに情報を通信するが、これはビームの光学的ファンアウトの極端な事例を表している。この変形は、細く集束されたレーザービームを１個または複数のビームスプリッタを使用して分割することであり、１回のビーム分割によって元のビームから２つのビームを生成する。このようにして、単一のナロービームはｊ個のビームスプリッタによって２ｊ個のビームへと分割され、単一のナロービームを複数の細いがより弱いビームへの光学的ファンアウトを達成する。しかし、レシーバは一般におそらく直径０．１ｍｍである小さなデバイスであるため、ナローレーザービームの最小距離以外を除く１個または複数のレシーバの光配列を達成し、維持することは難しい。
ファンアウトの類似の方法は、単一のビームを複数のビームへと分割するホログラム等、回折素子の使用によって達成されてきた。米国特許第６，４５２，７００は、拡張カード上に搭載されたホログラフィック光学素子上のＦＳＯＩバックプレーンを開示している。この取り組み方法もまた、配列に対する感度の問題があり、この問題はファンアウトパターンの大きさに影響するホログラム材料の温度感度によってさらに増大する。線形寸法が約１００ｍｍであるノード４個のポイントツーポイント光学的相互接続の場合、ナロービームの角配列に対する制約は２０分の１度である。この制約の厳格性は、相互接続のサイズとともに増大する。
必要とされることは、配列に対する感度の高くない光学的相互接続に対する測定可能な費用硬化性の高い取り組みである。
（発明の要旨）
本発明の以下の態様に対して必要性が存在する。勿論、本発明はこれら態様には限定されない。
本発明の態様によると、工程は、光信号エミッタから複数のノードのうち１個の光信号を、複数の光学素子のうち１個の発散素子によってファンアウトすることと；複数の光学素子すべての集光・集束素子によって、複数のノードすべての複数のレシーバのうち１個に、光信号をブロードキャスト送信することを備え、複数の光学素子は光アレイを画定するよう位置決めされ、複数のレシーバは光アレイに対応するレシーバアレイを画定するよう位置決めされ、複数のノードはレシーバアレイおよび光アレイに略対応するノードアレイを画定するよう位置決めされる。本発明の別の態様による製造物は、ノードアレイを画定するよう位置決めされた複数のノードであって、該複数のノードのそれぞれが光信号エミッタと、ノードアレイに略対応するレシーバアレイを画定するよう位置決めされた複数の光信号レシーバを有する複数のノードと；ノードのアレイに光結合された複数の光学素子であって、該複数の光学素子は、ノードアレイとレシーバアレイとに略対応する光アレイを画定するよう位置決めされ、該複数の光学素子のそれぞれは発散素子と集光・集束素子を備える、複数の光学素子とを含む、光学的ファンアウト・ブロードキャスト相互接続を備え、光信号エミッタからの光信号は、１個の光学素子の発散素子によってファンアウトされ、複数の光学素子すべての集光・集束素子によって、複数のノードすべての複数のレシーバのうち１個に対して、ブロードキャスト送信される。本発明の別の態様によると、工程は、発散素子を介して、光信号をファンアウトすることと；集光・集束素子を介して光信号をブロードキャスト送信することと；光信号を複数のレシーバのうち１個で受信することを含む、光ノードを動作することを備え、複数のレシーバは、レシーバアレイを画定するよう位置決めされる。本発明の別の態様によると、製造物は、発散素子と；発散素子に光結合された集光・集束素子と；集光・集束素子に光結合され、レシーバアレイを画定するよう位置決めされた複数の光信号レシーバを有する、レシーバアレイを含む光ノードを備える。本発明の別の態様によると、ノードアレイを画定するよう位置決めされた複数のノードを含むノードアレイを備え、該複数のノードのそれぞれが光信号エミッタと、ノードアレイに略対応するレシーバアレイを画定するよう位置決めされた複数の光信号レシーバを有する。本発明の別の態様によると、光アレイを画定するよう位置決めされた複数の光学素子を含む光アレイを備え、該複数の光学素子のそれぞれは発散素子および集光・集束素子を含む。本発明のこれらおよびその他の態様は、以下の説明および添付の図面に関連して検討することにより、より良く認識、理解されるであろう。しかし、以下の説明は本発明の種々の実施形態およびその多くの具体的な詳細事項を示す一方、例示の目的であって限定の目的ではないことを理解するべきである。多くの置換、修正、追加および／または再配置は、本発明の精神から逸脱することなく本発明の範囲内で行うことができ、本発明はこれらすべての置換、修正、追加および／または再配置を含む。
本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の所定の態様を表すために本明細書に含まれる。本発明、本発明が提供するシステムのコンポーネントおよび作動のより明快な概念は、同一の要素を同一の参照番号で示している図面中に、例示的にゆえに非限定的に示される実施形態を参照することにより簡単に明らかになるであろう。本明細書は、本明細書中の記載と組み合わせて、これら図面のうち１個または複数を参照することによってより理解される場合もある。なお図面中に示される機構は必ずしも一定の縮尺で描かれていないことに留意すべきである。
（好適な実施形態の説明）
本発明および本発明の種々の特徴ならびに利点は、添付図面に表され以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照することによって、より完全に説明されるであろう。周知の出発材料、処理技術、コンポーネントおよび機器の説明は、本発明の詳細が不必要に分かりにくくならないよう省略される。しかし、詳細な説明および具体的な実施例は、本発明の好適な実施形態を示しているものの、例示のみを目的としており、限定を目的とするものでないことが理解されるべきである。基本をなす本発明の概念の精神および／または範囲内にあれば、種々の置換、変更、追加および／または再配置が、本開示によって当業者に明らかとなろう。
以下に参照される米国特許は、本発明の意図された目的のために有益な実施形態を開示している。米国特許第６，５３８，８１８号、第６，５０９，９９２号、第６，４５２，７００号、第６，４４５，３２６号、第６，２０８，６７２号、第６，１６３，６４２号、第６，０１６，２１１号、第５，９８７，６０１号、第５，９６５，８７３号、第５，８６４，６４２号、第５，７７８，０１５号、第５，７０３，７０７号、第５，５４１，９１４号、第５，４６５，３７９号、第５，５４８，７７２号、第５，５４６，２０９号、第５，４４６，５７２号、第５，４３２，７２２号、第５，４２０，９５４号、第５，４１４，８１９号、第５，４１２，５０６号、第５，２９７，０６８号、第５，２２８，１０５号、第５，１５９，４７３号、第５，１４６，３５８号、第４，９５３，９５４号、第４，９４３，１３６号および第４，８７０，６３７号の全文が、明示的に本明細書に引用される。以下に参照される米国特許出願は本発明の意図された目的のために有益な実施形態を開示している。ともにＢｒｉａｎ Ｔ．ＤｏｎｏｖａｎおよびＷｉｌｌｉａｍ Ｂ．Ｄｒｅｓｓによって２００２年６月２０日に出願された米国特許出願第１０／１７５，６２１号および２００３年６月１８日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０３／１９１７５号、名称「パルス幅および／または位置変調および／または復調」の全文が、明示的に本明細書に引用される。Ｂｒｉａｎ Ｔ．Ｄｏｎｏｖａｎ等によって２００１年５月１４日に出願された米国特許出願第６０／２９０，９１９号および２００２年５月１３日に出願され（２００２年１１月２１日にＷＯ０２／０９３７５２として公告された）たＰＣＴ／ＵＳ０２／１５１９１号の全文が、明示的に本明細書に引用される。Ｂｒｉａｎ Ｔ．Ｄｏｎｏｖａｎ、Ｒａｙ Ｓ．ＭｃＫａｉｇおよびＷｉｌｌｉａｍ Ｂ．Ｄｒｅｓｓによって２００２年８月２３日に出願された米国特許出願第１０／２２７，０５０号、名称「動的マルチレベルタスク管理方法および装置」の全文が、明示的に本明細書に引用される。
（光バックプレーンの開示）
超並列処理（ＭＰＰ）システムは、互いに接続されたプロセッサモジュールまたは演算ノードのアレイを含んでもよい。実際、各プロセッサノードは、個別にパッケージ可能でありそのため完全機能型マイクロプロセッサとして動作可能な標準電源、アース、データバス、メモリポートを備えた、独立したダイまたは「チップ」である。現代の処理装置におけるコストの多くは、個々のダイのパッケージングおよびシステム内各プロセッサへの給電および各プロセッサとの通信に必要な拡張支援時に発生する。もし、各プロセッサダイが例えば最も近傍の通信バスに接続可能であって、ウエハーが破壊されることなくプロセッサの全アレイが保持可能であったならば、各プロセッサノードに給電し、アレイ全体と通信することが可能であったかもしれない。この観点から考えると、プロセッサのウエハーは、パッケージング、実装、給電および各プロセッサとの通信を個別に行う場合よりも、はるかに低コストかつ高処理量の演算素子となる。
プロセッサ、一群のマルチチップモジュール、または一群のプリント基板モジュールのウエハーが効果的かつ機能的なシステムであるためには、各プロセッサノードのｎ個の集積または近接幾何接続を実行するべきである。これまでは、全プロセッサを互いに接続するウエハー単位のバスアーキテクチャに対する取り組みが主として行われていた。この取り組み方法の欠点は、長いバス構造および付随する高静電容量に起因するプロセッサ間の通信速度が遅いことであった。ノード間で通信を行うために、種々の光学的方法を用いた他の取り組みが行われてきた。近年人気のある方法は、ｎ個のレーザーエミッタおよびｎ個のレーザーレシーバを備えることであり、ここでｎはウエハー上のノードの個数である。このポイントツーポイント通信によって各ノードは他の任意のノードと直接トークできるが、かかわる表面積は２ｎ２×Ａのみである。ここで、エミッタまたはレシーバの面積は、通常一辺約１００μｍの領域である。各ノード中にエミッタが１個しかしレシーバがｎ個存在するブロードキャスト送信モデルへと切り換えることによって、この経費は半分に削減される。より重要なことであるが、「完全に接続された」ウエハーの場合、各ノードによって取り扱われる通信トラフィックによって、ノード自体の演算能力は送受信ともに対して簡単に過負荷状態となってしまう。このブロードキャスト送信モデルでは、各ノードが１個のエミッタのみを備えるため、送信負荷がｎ分の１となる一方、必要に応じ受信付加を最大化することも可能である。どのエミッタも全ノードとトークするため、ある特定の送信メッセージがある特定のノードに対するものかどうかを決定する通信プロトコルを設定すべきことは明らかである。識別目的のためノードに指標または番号が付けられる場合、アレイ中の各ノードに対してマップを構成してもよい。このマップは、所定のノード上のいずれのレシーバがいずれの特定のエミッタに光接続されているかを指定する。次に各レシーバは対象となるノード上で動作するタスクまたは回路によって監視され、該タスクまたは回路は受信ノードに対する受信メッセージを識別し、他を無視する。
光バックプレーンの目的は、ウエハー上の各ノードを他のすべてのノードと接続する平行相互接続構造を提供することである。このような光学的相互接続を提供するための一方法では、図１に例示するようなレンズアレイおよびミラーを採用している。
図１によると、ミラー１１０が図の左側に、３×３のレンズアレイ１２０がミラーの右側かつミラー軸周辺に示されている。（図示しない）演算ノードのアレイが、レンズアレイの右側に存在するであろう。ミラー１１０、アレイ１２０および演算ノードのアレイはすべて筺体１３０中に含まれることができ、該筐体は任意で部分的に不完全真空であってもよい。
ノードのアレイに最も適した設計は、各レンズが下方のノードと同一方向にあり、このように形成されたノードアレイがノードのアレイ上方に直接配置されるよう、集束レンズのアレイを配置することである。図４〜６に示すように、レンズアレイは好適には発散素子および集束素子の両方を含む。発散素子は、それがライトパイプ、太い光ファイバー、発散コニカルレンズまたは通常の発散（凹型）球面レンズであれ、その機能は各エミッタからの光をミラー領域の少なくとも半分を覆うよう拡散し、その結果対象となるエミッタは光を反射した直後、少なくともレンズアレイ全体に照射し、その結果ウエハー上の全ノードが各エミッタから光を受信するようにすることである。この所望の特性を図２Ａおよび２Ａに示す。
図２Ａ〜２Ｂによるとウエハー２１０は中央の点として示すエミッタ２２０を備えた下側の円盤として描かれ、ミラー２３０は上側の円盤として表されている。エミッタ２２０のエミッタコーンがＶＣＳＥＬレーザーでは代表的な８°である場合は、代表的な光線の組は直線光が下部から上部に発散し反射光が上部から下部へと発散する。図２Ｂは図２Ａと同様であるが、中央のエミッタ２２０上方に発散レンズ２４０を含んでいる。図２Ｂでは、ウエハーアレイ全体は反射光に覆われている。発散レンズ２２０は図２の中心に小さな円盤として示されている。
本発明は、反射光を集光し意図されたレシーバ上に焦点合わせを行う集束レンズを挿入する（含む）ことを含むことができる。この状況を図３に示す。
図３では、非折り畳み式システムの断面は、システムの半分のみを示している。（ゼロ未満の光線およびレンズは、横軸に対して対称であると考えられる。）ノードのアレイ３１０が左側にあり、１０ｍｍごとにノード中心を有する。（中心は座標０、１０、２０．．．．にある。）ミラー３２０はウエハーから５０の距離をおいた中央の縦線として示され、説明を明確にするために、単一のエミッタ３３０のみが座標（０，０）に示される。これに付随する発散レンズ３４０はウエハーから約１０の距離を置いて示される。位置約９０に位置するレンズアレイ３５０は、左側のアレイ３１０の空間指標反射を特徴とする光心を有するが、後者については説明を明確化するために完全には表示しない。ウエハー表面の光源からの光線は発散レンズ３４０全体を満たすようわずかに発散し、光線は該発散レンズでミラー３２０の約半分を覆うよう拡散した後、レンズアレイ３５０に反射される。発散レンズ３４０はさらに光を広げるが、一方レンズアレイ３５０の集束レンズ３５５はウエハーの上または近傍に集光させ、その反射は位置１００で示される。ミラーが距離５０（ウエハー半径の半分）に置かれた図３では、ウエハー全体における焦点のばらつきは明らかである。ウエハー全体にわたるこの焦点の欠如を克服するために、少なくとも２つの方法がある。第１の方法では、ミラーをウエハー半径以上の距離に配置する方法であり、これによって焦点によって画定される表面を本質的に平面化し、最大偏差は上記に示す状況と比較して半分以上低減される。第２の方法では、各ノードのちょうど真上に（図示しない）ｎ個のマイクロレンズから成るアレイを挿入することであり、これによってレシーバのアレイ上に光を追加的に集束させる。マイクロレンズは、受信側フォトレジスタ上への集束光線の良好な焦点合わせと一貫した距離で、各レシーバの真上に配置することができる。
図４には、十字型集束レンズ４１０の３×３アレイ４００が、より小さな正方形の発散レンズ４２０の３×３アレイが、より大きな集束レンズ４１０の左下角に備えて示されている。発散レンズ４２０は、（発散象限４３０を画定する）中線の横座標軸および縦座標軸がそれぞれ中心を通って引かれた正方形として表される。表示されたアレイ４００は９個すなわち３×３のアレイを備えたウエハーに光結合する。２５６個すなわち１６×１６のアレイを備えたウエハーの場合、類似のレンズアレイは１６×１６の十字型レンズおよび１６×１６のより小さな正方形発散レンズを含むことができ、図示するように全部で５１２個のレンズを装着することができる。ノードのサイズは１０×１０ｍｍであれば、十字型集束レンズもまた１０×１０ｍｍの外径を有するであろう、レンズ中心はノード中心の真上に位置し、エミッタはノードの左下角に位置している。
図５には、図４に示すアレイ４００の３次元図が示されている。小さな発散レンズ４２０が、中心の等高線図とともに示されている。アレイ４００および、任意でノードのアレイならびにミラーは筺体５１０中に収容することができる。
図６では、代替実施形態において、エミッタが中央に配置され、（円形または正方形の）集束レンズの真中心を通るエミッタからの発散素子、または場合によってはライトパイプ、光ファイバーが配置される。勿論、レシーバマップはこの場合、角部（端部）エミッタの場合とは異なるであろう。円形の発散レンズの平面図を図６に示す。集束部は下部のノード寸法とちょうど合致する正方形であり、これら複合レンズのうちｎ個から形成されるアレイは図４および５に描かれるようにウエハーの真上に存在する。
図６には、集束素子６２０および発散素子６３０を含む光学素子６１０の代替実施形態が示されている。この実施形態では、集束素子６２０は集束レンズを含み、発散素子６３０は発散レンズを含む。発散レンズは、集束レンズの中心に配置され、両者は同一平面上にある。
（光パックプレーン用スーパーコンピュータ）
本発明は、ウエハースケールに及ぶ大きさのアレイに配置された多数のプロセッサから構成されるバックプレーン光スーパーコンピュータを構築するための、独自で新しいコンピュータアーキテクチャを含むことができる。これによって、個々のプロセッサが、大規模にしかし安価に相互接続される。また、これらが、信号を正確に位置決めするよう構成された発散および集束レンズの幾何学的マトリクスの使用によって、プロセッサからプロセッサへの光信号の受発信によって互いに同時通信すること、および、鏡面バックプレーン反射面の使用によってコンピュータ全体にわたって三次元空間における適切な空間分布を保証する。信号はシステムの種々のプロセッサ間を光速で進むため、本発明は、配線の複雑さを排除することができる。そうでなければ、余剰のプロセッサコンポーネントが現在のスーパーコンピュータアレイ設計に加えられるため、複雑さが存在し、スーパーコンピュータプロセッサノード数の平方によって組み合わせられる。プロセッサは、標準的な製造手順にしたがって、シリコンウエハーまたは他の製造用材料ウエハー上に平面的に配列することが可能である。各プロセッサは、１個または複数のガスプラズマ、レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）もしくは他の種類の発光ノードを、受光ノードとともに含んでいる。各プロセッサごとに発散および集束レンズ面を含むレンズマトリクスは、平面的な態様に採用され、プロセッサのアレイとともに、ウエハーの上方に適切な距離を置いて配置されている。あるプロセッサまたは他のプロセッサから光が発せられると、光は、各レンズ面のうち発散面を通過して、ウエハーおよびレンズマトリクスの上方に配置された反射ミラーへと向かう。次にこの光はミラーに当たり、受信プロセッサの集束レンズ面へと反射され、通過する。光は、該集束レンズ面内部ではプロセッサの処理機構内で実行する信号へと変換される。スーパーコンピュータシステム全体は冷却され、必要に応じて放熱機構を備えていてもよい。ソフトウェア制御およびデータ出入力は、多数の光ファイバー機構または電気、無線周波数あるいはその他の手法のうち任意の一つによって、スーパーコンピュータと送受信してもよい。
（ウエハースケールスーパーコンピュータおよび光スイッチ）
本発明は、プラズマガス放出型光信号エミッタならびにウエハーファイバーインタフェース上のファイバー光チップの使用、およびＤＷＤＭスイッチ階層用の３個のファイバーの使用を含んでいてもよい。本発明は、好ましくは反転されたウエハーの背面上の冷却浴液によって、ウエハーまたは他のマイクロプロセッサ基板を冷却することを含んでいてもよい。本発明は、分離可能な冷蔵室兼冷却器を含むことができる。約５℃作動温度を維持することは、維持が簡単で都合がよい。約−５０℃の作動温度のほうが、より低ノイズかつ高速であるためより好適である。約−１００℃の作動温度はさらに好適であるが、すべてのＣＭＯＳがこの温度で変更なしで動作するとは限らない。凝結が起きないよう保護するべきである。ウエハー、レンズアレイ、ミラーおよびヒートシンクが、場合によっては負圧下で、収容されていてもよい。簡単な蛇腹型グラスカバー均圧室が、筐体として使用しやすく費用効果も高い。
マイクロプロセッサのウエハーまたはアレイへの給電は、セラミック製高容量バイパスコンデンサ材料を備えたデュアルコンダクタによって実行することができる。これら高容量給電ストリップは簡単に商業的に入手可能であり、製造も簡単である。例えば、８インチウエハー上の２５６ノード、あるいは１２インチウエハー上の１０２４ノードに対して、１〜３ボルトの電圧に対して１〜２ワットの電力量が推定される。２５６ノード用の１６個の給電ストリップの場合、どの任意の給電バスも１６〜３２ワットのみを通電する。これら給電バスは光バッフルおよび前面／レンズスペーササポートとしても動作することができる。垂直方向には光バッフル部のみが存在し、光バッフル部はグラスまたはセラミック製であってもよい。給電ストリップおよび／またはバッフル用の温度膨張係数はウエハーにできる限り合致しているべきである。本発明は、不適合の熱膨張を斟酌して、ノードに接着または半田付けされた、ウエハーごとの可撓性タブを備えた給電バスを含むことができる。本発明を実施するための原型的な光学素子は、シミュレートされた光線追跡であり、５０〜９０％という範囲の高効率を特徴とする。各ノードは（単数または複数の）エミッタ上方に拡散レンズを有し、センサアレイの上方に焦点合わせをするマイクロレンズアレイを有することができる。これらレンズは、モールドグラス、ホログラフィック、または光拡散機能の後に集光および焦点合わせ機能を提供するその他任意の構造であってもよい。本発明は、レンズアレイの上方数インチに、エミッタ、レンズおよびレシーバ（検出器）に光結合して配置された単純な平面鏡を含むことができる。ウエハー１個の設計の場合、この単純な平面鏡は完全反射前面グラスミラーであってもよい。本発明は、完全反射ミラーの代わりに部分反射ミラーを使用し、ミラーの他の側から等距離に別のウエハーレンズアセンブリを配置することによって接続された、マイクロプロセッサの複数のウエハーまたは基板を含むことができる。単一の光学素子に対して例えば合計約４個まで、ウエハーまたは基板をさらに追加することも可能である。単に光学的に接続された複数のウエハーまたは基板を採用している状態では、任意の１個のプロセッサノードからの発光はすべてのウエハーまたは基板上の対応するプロセッサノードによって受信される。この場合、センサ経路ごと受信した光強度は、ウエハーまたは基板の数および光学的損失によって除算される。対応するプロセッサノードも同時に送信を行うと、メッセージが文字化けするかもしれない。したがって競合による文字化けの可能性を有する本発明の実施形態は、ソフトウェアは現在の大部分の通信システムで行われている衝突ハンドリング能力があるべきである。シリコンは、光通信に使用される通常光向けには、高速な光センサ材料ではない。赤外線（ＩＲ）および可視赤色光の周波数では、光はチップの非常に奥まで浸透し、検出電極まで拡散されるまで数百ナノ秒かかる搬送波を生成する。シリコンから高速を得るための代替方法は、青色光または紫外線光を使用することである。この光はセンサ中では１μｍも浸透しない。Ｎ搬送波は２００ｐｓ／μｍで伝播するため、青色光および紫外線光を使用することによって、標準ＣＭＯＳにおいて非常に高速な検出を行うことが可能となる。紫外線光および青色ＬＥＤは、費用効果が高い。本発明の代替実施例では、レーザー、ＬＥＤまたは連続波（ＣＷ）モードの他のエミッタを使用し、これらを変調することができるが、あまり好適ではない。
本発明の別の実施形態は、１個のノードあたり、エミッタは複数であるがレシーバはノードあたり１個を使用することができる。複数のエミッタは、同じ波長を持つことも、異なる波長を持つことも可能である。複数のエミッタは集まっていることも、互いに離れていることもできる。同一波長の複数のエミッタの場合、ブロードキャスト送信にはより高い光強度が必要になるかもしれない。また、所定のノードが同時に異なるノードを経由して異なる信号を送信するため、衝突が発生するかもしれない。より大量の光強度が必要かもしれないが、全エミッタからの光は集約されるため、より多くの光を受信することができる。衝突はノード内の論理処理によって回避することができる。
本発明の別の実施形態では、１個の処理ノード（モジュール）につき複数のエミッタおよび複数のレシーバを使用してもよい。この形態も、光が全エネルギーをエミッタから単一のレシーバに導くことができるという上述の利点を有している。各プロセッサノード上に多数（例：２５６個）のエミッタを配置することは問題が生じる場合もある。
はるかに性能の低い別の実施形態では、１個のノードにつき１個のエミッタおよび１個のレシーバのみを使用することができる。この実施形態の簡単な代替実施設計では、赤色領域またはより短い波長において既成のレーザーチップを使用することができる。波長は短いほうが好ましい。その理由は、赤色のレシーバは速度を上げることは難しいが感度を維持しているためである。本発明は、１個または複数の周波数変換結晶を使用することができる。
外部とのインタフェースは、商業的に簡単に入手可能なカラーファイバー光学素子であることができる。該カラーファイバー光学素子は、１レーザーにつき１個のファイバーを備えた低価格の８５０ｎｍレーザーを使用することによって、ウエハー上から直接取り出したり、配置したりすることができる。この場合、市販のマルチプレクサを使用して、データを単一のＤＷＤＭファイバーまたはその他任意の標準通信バックボーンと組み合わせることができる。本発明では、複数周波数レーザーの使用を含んでいてもよい。標準型８５０ｎｍリカバーデバイスをウエハー上に装着することができる。低ノイズ、長寿命、短く高速な相互接続のためには、冷却されたウエハーは非常に魅力的な選択肢である。
電気光学的インタフェースを提供するために、本発明は２００２年６月２０日に出願された米国特許出願第１０／１７５，６２１号および２００３年６月１８日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０３／１９１７５号に開示された実施形態の使用を含んでいてもよい。２００２年６月２０日に出願された米国特許出願第１０／１７５，６２１号および２００３年６月１８日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０３／１９１７５号に記載されたパルス位置および／またはパルス幅変調装置および／または復調装置はともに、Ｘｙｒｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社および／またはＬｉｇｈｔＦｌｅｅｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から簡単に商業的に入手可能である。両社とも、米国ワシントン州バンクーバーに事務所を置き、１社ないし両社がこれら実施形態の商標ＸＡＤＡＣＯＭ（商標）としての供給元として特定されている。しかし、本発明はパルス位置および／またはパルス幅変調および／または復調には、ましてはＸＡＤＡＣＯＭ（商標）には限定されない。本発明は、現在ファイバチャネルあたり約１００〜２００米ドルかかる標準型ファイバチャネルと組み合わせることができる。最新型ＤＷＤＭには、１６０チャネルが好適である。
本発明は、ノード間自由空間相互接続用光学素子を伴わないが、ファイバー光学素子インタフェースを伴う平行二次元相互接続ウエハースケールスーパーコンピュータを含むことができる。それにもかかわらず本発明の好適な実施例は、ノード間光学的相互接続を含み、それによって大規模なより相互接続的な帯域が可能となる。本発明は、ノード間自由空間光学的相互接続がない場合であっても、最も近接した箇所に対して、例えば、端部が最も近接した４個に対して１ノードあたり約１０ギガ通信速度の処理能力を簡単に含むことができる。端部が隣接していない処理ノード（モジュール）は、連続的な態様で、複数の処理ノード（モジュール）を介してメッセージを送信することができるが、処理量が減少する可能性が高い。自由空間光学的相互接続を備える場合、どのノードもブロッキングなく他の任意のノードからの受信が可能であり、処理量も簡単に１ノードあたり１０ギガ通信速度に達成可能である。
外部ファイバーネットワークへの通信には、簡単に商業的に入手可能なチップ形態のダイオードレーザーを使用することができる。垂直信号ソース光学素子にはＶＣＳＥＬＳを使用することができ、端部エミッタをウエハー端部光学素子学素子に使用することができる。これら端部エミッタは８５０ｎｍ、３ｍＷ出力レーザー１台あたり５〜１０米ドルと非常に安価である。（１３００ｎｍレーザーでは約２０米ドル、１５５０ｎｍでは約２０米ドルである。）８５０ｎｍの波長は、ギガビットイーサネット（登録商標）およびファイバチャネル用のには、最も人気のあるＬＡＮの選択肢と思われる。波長が８５０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５００ｎｍの簡単に商業的に入手可能な光レシーバは、１〜５ＧＨｚの範囲で使用することができるが、ダイを装着したレシーバのほうがより好適であるかもしれない。本発明は、これら標準通信波長用のプラズマガス放出エミッタを使用することを含んでいてもよく、これによって費用がさらに低減される。
本発明の内容は、ウエハーまたはスーパーコンピュータシステムをネットワークに接続するファイバー光用多重装置を含んでいてもよい。ギガビットイーサネット（登録商標）およびファイバーチャネル規格が、８５０、１３００、１５００ｎｍの波長に対して簡単に入手可能である。
本発明は、１個のウエハー、複数のウエハー、または１個のウエハーから切り取った２〜３個のノードを含む光コンピュータを含むことができる。多数の、およびおそらく数に制限のないウエハーから成るシストリックアレイが、異なるリレーレンズアレイとともに形成されるかもしれない。該シストリックアレイは次のウエハーへと送信するが、前のウエハーから受信する。最後のアレイは連続した処理ができるよう第１のアレイと結合し、状況に応じてトーラス型または球形構造をしている。
大きいスイッチへの適用には、３組の光学的または電気的な外部Ｉ／Ｏあってもうまく動作するであろう。これら３組のうち２組は、より低く広範な階層から２組の出力を組み合わせ、１組は組み合わされたストリームを次のより高いレベルへと送信する。
図７Ａ〜７Ｃでは、回路ウエハー７０１が、板および／または背面バス等の冷却構造７０５に結合されている。回路ウエハー７０１は、ガスプラズマ放出光信号エミッタを含んでいる。回路ウエハー７０１は送電網７０２に接続されている。送電網は光バッフルを含むことができる。送電網７０２はレンズアレイ７０３結合される。レンズアレイはミラー７０４に結合されている。回路ウエーバー７０１、送電網７０２、レンズアレイ７０３、ミラー７０４は、Ｎ、Ｈ、Ｈｅ等適切な気体７０７を含む気密筐体７０６内に配置されている。冷却構造７０５の一部は筐体７０６内を介して延長し、（図７Ａ〜７Ｃには示されない）熱交換器に結合可能なヒートシンクとなっている。
図８では、回路ウエハー８０１が複数の個別のコンピュータノード８１０を含んでいる。この実施形態では、個別のコンピュータノード８１０のそれぞれは、各コンピュータノード８１０の角部に配置された４個の光信号エミッタ８２０を含んでいる。
図９Ａ、９Ｂによると、本発明はコンピュータノード９１０中に具現化した集積回路を含むことができ、該集積回路は１個または複数の光信号エミッタを含んでいる。本実施形態では、コンピュータノード９１０は、ｉ）複数のマイクロプロセッサを担持するウエハー、およびｉｉ）４個の光信号エミッタを備えている。この発明には、マイクロプロセッサの存在は必須ではなく、任意の数の光信号エミッタの使用を含んでいてもよい。光信号エミッタは、プラズマガス放出エミッタ９２０、またはレーザーおよび／または光ダイオード９２２のいずれかであることができる。例えば、変調ＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザー）は、プラズマガス放出光信号エミッタに対する代替を提供することができる。
図９Ａの上部には、隣接するコンピュータノード９２３が概略的に描かれている。
ノード／ウエハー間の通信は、ノード／ウエハー上に集積されていてもよい簡単に商業的に入手可能なファイバー光モジュールによって提供することができる。ノードは互いに、約２５μｍから約５０００μｍまで（好適には約２５０μｍから約５００μｍまで）の距離を置くことができる。
図９Ｂは、コンピュータノード９１０の側面図を描いている。コンピュータノードは（図９Ａには示さない）オンチップレンズアレイ９２１を含むことができる。光信号検出器は、チップレンズアレイ９２１の各構成要素の下方に配置することができる。各光信号エミッタは、エミッタレンズおよび／またはライトパイプ９２４を含むことができる。２個またはそれ以上のエミッタレンズおよび／またはライトパイプ９２４は、コンピュータノード９１０のコンポーネントの残りとともに、あるいは残りとは別途に、集積回路エミッタと組み合わせて光バックプレーンを画定することができる。
図１０では、給電ストリップ１０５０は、第１給電導体１０５１と第２給電導体１０５３との間に結合された高誘電性不導体１０５２を含むことができる。２個の導体および１個の不導体を図１０に示すが、ストリップは３、４個またはそれ以上の導体を含むことができる。第１給電導体１０５１および第２給電導体１０５３の両方が、ウエハー（ノード）に電気的に結合可能な複数の可撓性電源タブ１０６０を備えている。
図１１では、第１光バッフル板１１０３はグリッドパターンへと組み付けるために複数のノッチ１１５３を含んでいる。第２光バッフル板１１０４もまた、複数のノッチを含み、組み付けに先立ち、第１スラットに対して逆向きかつ直角に示されている。各ストリップの露出された両側が絶縁体層に覆われて（例：被覆されて）いる場合、給電ストリップからスラットを製作することができる。
図１２には、回路ウエハー１２０１に結合された、給電バスと光バッフル１２０２の組み合わせ構造に組み付けられた複数の給電ストリップが示されている。この組み合わせ構造は、別の実施形態における個別の構造とともに、ウエハーに直接接続されるか、またはタブおよび／またはスペーサを密接に介して接続されるか、またはリード線および／またはスタンドオフの関係にもとづきウエハーとは距離をおいて接続されることができる。
図１３によると本発明の内容は、端部装着型光トランシーバ１３７０を備えた二次元ブレードアレイ１３６２等、他のコンポーネントへの自由空間光結合を含むことができる。コンピュータまたはネットワークデバイス１３６０は、部分的な銀鏡１３６５を有するファンアウト自由空間光学的相互接続バックプレーンを含んでいる。このデバイス１３６０は、部分的な銀鏡１３６５を介して、ブレードアレイレンズのまたはレンズアレイに対するウエハー１３６１に光結合されている。ブレードアレイレンズのまたはレンズアレイに対するウエハー１３６１は、端部装着型光トランシーバ１３７０へと光結合されている。
図１４によると、個別のブレード１４５０は光トランシーバ１４６３を含んでいる。光トランシーバ１４６３は、ブレードプロセッサ１４６４、動的ランダムアクセスメモリ回路１４６５およびハードドライブ１４６６に結合される。
図１５Ａ〜１５Ｃによると、複数のファンアウト自由空間光学的相互接続バックプレーンを有するいくつかの異なる組み合わせ構造が示されている。本発明は、二次元または三次元の複数のファンアウト自由空間光学的相互接続バックプレーンを含むことができる。図１５Ａによると、第１光スーパーコンピュータ１５６１は、部分的な銀鏡１５０４を介して第２光スーパーコンピュータ１５６２に結合されている。図１５Ｂでは、第１光スーパーコンピュータ１５６３は、ミラーの付いていない第２光スーパーコンピュータ１５６４に結合されている。図１５Ｃでは、それぞれが部分的な銀鏡を有する４個の光スーパーコンピュータ１５６５、１５６５、１５６６、１５６７が、部分的な配光用銀鏡１５４４を介して互いに結合されている。
図１６では、第１光スーパーコンピュータ１６１０が、シストリックな作動用の第１代替レンズアレイ１６８２に光結合されている。第１代替レンズアレイ１６８２は、マルチウエハーミラー１６８０に光接続されている。このマルチウエハーミラー１６８０は、第２光スーパーコンピュータ１６１２に結合された第２代替レンズアレイ１６８３に光結合されてもよい。このマルチウエハーミラー１６８０もまた、第３光スーパーコンピュータ１６１４に結合された第３代替レンズアレイ１６８５に光結合されてもよい。このマルチウエハーミラー１６８０はまた、第４光スーパーコンピュータ１６１６に結合された第４代替レンズアレイ１６８７に光結合されている。こうして、シストリックミラーをアドドロップリレーミラーとして画定することができる。
（費用効率が高い移動型スーパーコンピューティング）
本発明は、最大の機器の演算能力の上限を１０００倍増加すると同時に、既存のスーパーコンピューティング設備のサイズおよび費用を大幅にかつ劇的に低減させることができる。本発明は、既存のスーパーコンピュータソフトウェアと互換性があり、現在のスーパーコンピュータよりも大幅に大きな接続性を提供し、ハードウェアの再構成の必要性を未然に防ぐ。
本発明は、現在はただ単にサイズ、費用、電力消費の理由から不可能である、広範な適用のための新しい市場を開拓することができる。ひとたびこれら発明が完全に開発されれば、現在のデスクトップコンピュータの形状因子でテラフロップコンピュータを構築することが可能となるであろう。それに続いて、オフィスルーム１室に収まる世界初のぺタフロップコンピュータもありうる。この考え方は、現在ではまだ夢にすぎない真の超並列機器を可能にするイクサフロップのスケールまで到達する。これらの数を現在の世界の最高性能のコンピュータである、３６テラフロップ（わずか０．０３６ぺタフロップにすぎない）のＮＥＣの「Ｅａｒｔｈ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ」と比較すると、本発明の能力について理解がなされるであろう。
これらサイズ、費用、能力における改善点がさらに示唆することは、現在のスーパーコンピューティングでは選択肢とならない、施設内、移動体、空中、宇宙での適用に対するテラフロップコンピィーティングの携帯性を可能にすることができる。大量のデータを遠隔記録し、これらのデータの処理、解析され対応のために固定型スーパーコンピュータセンターへと移植するためには、莫大な量の時間と費用が消費される。収集から処置までの経過時間は、一般には日または週単位となる。携帯型のスーパーコンピュータであれば、データ収集および解析を同時に行うことができるので、検索ベクタに対するリアルタイムの決定を行うことができるであろう。この能力によって装置の生産性が大きく向上し、所定のタスクを完了させる時間を圧縮させ、現在では全く考えられないタスクを完了させることができる。
本発明によって、新世代のスーパーコンピュータは、既存のおよび計画中のシステムのコストパフォーマンス比を何倍も増加させることができる。本発明は、ハードウェアスケジューリングと切り替わるゼロオーバーヘッドタスクを含むことができ、タスクの同期化と高性能データフローアーキテクチャを組み合わせることによって複雑であるが安価なノードを構築することが可能である。これらノードのアレイを光集積することによって、デスクトップサイズのパッケージ中でのテラフロップコンピュータシステムが可能になる。本発明によって、ウエハーサイズのスーパーコンピュータを、テラフロップからペタフロップ、さらにエクサフロップ機にわたるさまざまな能力範囲のコンポーネントを組み付けるために、増減させることができる。
上述のとおり、既存のスーパーコンピューティング機に何十万〜何百万の材料の相互接続（ワイヤ、コネクタ、はんだ接合部、接合）が存在する場合、その信頼性が主な懸念事項となる。これら機械的なチップ外コネクタを集積回路および光線へと置き換えることができれば、データフローの速度が大幅に向上するだけでなく、システム全体の信頼性も大幅に向上するはずである。
本発明は、３０年以上にわたって広範に検討されてきた話題である、ウエハースケールの集積を含むことができる。ウエハースケールのコンピュータシステムは相互に接続されたプロセッサモジュールまたは演算ノードのアレイを含むことができる。実際には、各プロセッサノードは独立したダイであるか、あるいは個別パッケージが可能でありそのため標準性能、アース、データバス、メモリポート等を備えた完全機能型マイクロプロセッサとして動作する「チップ」である。現在の処理システム中の費用の大部分は、個別のダイのパッケージングおよびシステム内の各プロセッサへの給電、通信に必要なサポートに使用される。個別のプロセッサノードを効率的に接続し、プロセッサの全アレイが単一機能のモジュールとして保持することが可能な場合、各プロセッサノードに給電し、全アレイと通信可能となるであろう。このモデルにおいてウエハー全体は、分離してかつ個別にパッケージされたチップを、パッケージングし、再実装し、給電し、通信することによって達成されるよりも、はるかに低い費用かつ高い処理量の演算素子となる。
また上記に示すように、従来の光学的相互接続スキームの問題は光エミッタの精密配置であり、光学素子の配列であった。本明細書で提案された解決方法は、ウエハー製造の固有の登録精度を使用することによって、各ノード上に少なくとも１個のエミッタを備えたブロードキャスト送信モデルを採用し、さらにエミッタからの光を集束光を拡散する光アレイを使用することによって、これら問題を回避している。
（演算用ハードウェア）
（ギガフロップノード）
各ノードは、複数の処理装置、通信用ハードウェア、ローカルネットワーキングまたは通信バスを備える単一のプロセッサダイを含むことができる。専用ノードを、通信ハードウェアおよびメモリ制御ハードウェアにサポートされたメモリ（ＲＡＭ）に対して専用に使用することができる。ウエハーまたは代替ウエハー上にメモリーノードおよびプロセッサノードを散りばめることによって、所望の対メモリ能力演算性能比を得ることができる。
複数のクライアントが時宜よくサービスを受けるべき単一のノード中にあるプロセッササイクルを効率的に使用できるようにするために、米国特許第５，９８７，６０１号に記載のゼロオーバーヘッドタスク切り換えを、ハードウェアベースのリアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）カーネルとともに使用することができる。このような方法で、本発明は動的優先度スケジューリングを用いて、何百の相互作用するタスクを効率的にかつ透明に管理することを含むことができる。こうして、各ノード上のレシーバは当該ノードに対する初歩的なタスクとみなしうるため、ノード全体にわたって並列メッセージを効果的に管理することができる。米国特許第５，９８７，６０１号に記載のゼロオーバーヘッドタスクの実施形態は、Ｘｙｒｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社および／またはＬｉｇｈｔＦｌｅｅｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から簡単に商業的に入手可能である。両社とも事務所を米国ワシントン州バンクーバーに置き、これら会社のうち１社または２社が商標ＺＯＴＳ（商標）としてこれら実施形態の供給元と特定されている。しかし、本発明はゼロオーバーヘッドタスク切り換え、ましてやＺＯＴＳ（商標）に限定されていない。
演算は複数のタスクへと分解することができるが、マルチスレディングプロセッサはプログラムされたスレッドを準独立的に処理する。マルチスレディングはレイテンシーを幾分隠すことができるが、ほんのわずかな性能の改善にも最新のコンパイラまたは非常に有能なプログラマーが必要とされる。ゼロオーバーヘッドタスク切り換えのマルチタスキングは、マルチスレディングの考え方の上位集合である。これによって、マルチスレディングを隠すレイテンシーを可能にし、次に、動的優先度および同期化のためのハードウェアのセマフォを追加を、スレッド切り換えオーバーヘッドなしに達成することができる。ゼロオーバーヘッドタスク切り換え用ハードウェアのマルチタスキングは、タスク管理の記憶素子および切り換え素子を切り離す。このため、２５６を簡単に上回る数の非常に多数のタスクを、単一タスクのクロック速度および動作に深刻な影響を与えることなく、チップ上ＲＡＭ中にコンパクトに保存することができる。このことは、遠隔地のデータにアクセスするために、何百ものサイクルが必要となるかもしれない大規模なマルチプロセッサシステムなどにおいて非常に重要である。
ゼロオーバーヘッドタックの切り換え処理エンジンは、データフローを効果的に使用している。しかし、本発明の場合、データフローは中央処理装置（ＣＰＵ）中のルーティングビットおよびマイクロコードよりも、概念的に高いレベルにあることができる。本発明は、ノードを備える各機能モジュールを接続する完全な非同期データフロー経路を含むことができる。データフローの相互接続（ＤＦＩ）はメッセージパケットを利用することにおいて、通常のバスアーキテクチャと比較して、より高性能かつ実用的となる。これらパケットはローカルなレベルで制御され、バスアービトレーションの必要性を未然に防ぐ。ＤＦＩバスはシステムプログラマにとって透過的であるため、システムプログラマはデータ宛先のみを気にかけ、データが到着する方法および時期を気にする必要はない。
ｎ個のノードを含むウエハーの場合、各ノードは全ウエハーに情報をブロードキャスト送信するために少なくとも１個の光トランスミッタを有することができ、各ノードはウエハー中の全ノードからの情報を受領するためにｎ個の光ダイオードレシーバを有することができる。各レシーバは、ＤＦＩバスにトークするレシーバ自体の関連通信モジュールを有しており、対象のノードに宛てられたパケットのみがノードのＤＦＩバス上に配置されている。レシーバの通信モジュールはパケットヘッダを解読し、適切な宛先コードとともにパケットをＤＦＩバス上に配置し、次のパケットを待つ。データ受信確認は、ＤＦＩバス上で、必要に応じトランスミッタ基地局へと送られる。このローカル処理によって、グローバル制御なしに非同期通信を発生させることができ、通信プロトコルを大幅に簡素化し、システム全体のデータフローの速度を高める。
計画されたスーパーコンピュータとの比較のため、コアＣＰＵは８ギガフロップ（ＧＦ）等価性能のＰＣ（商標）、ＭＩＰＳ（商標）またはＡＲＭ（商標）機器であり、ゼロオーバーヘッドタスク切り換えによってマルチタスキングが強化されていると仮定する。上述のとおり、各ノード内に、ＤＦＩバスにアクセスすることによって、主プロセッサと副プロセッサ（ＦＰＵ、マトリクスプロセッサ等）との間で通信する通信レシーバおよびトランシーバ基地局等、複数の、特定用途のプロセッサが存在すると仮定する。
要するにノードプロセッサの主な特徴は、（１）最新のプロセッサとともに使用するゼロオーバーヘッドタスク切り換えマルチタスキング技術、（２）ノード内通信用のＤＦＩバス、（３）ＤＦＩ有効マルチ工程能力、（４）光ダイオードレシーバを備えた複数の通信モジュール、および（３）単一の光トランスミッタモジュールであると言える。
（１０００ギガフロップウエハー）
ウエハーがコンピュータシステム内で、あるいはそれ自体がスーパーコンピュータ内で有効かつ機能的な素子であるためには、個別プロセッサノードのウエハースケール集積が達成されるべきである。これまでの努力は、すべてのプロセッサを接続するウエハースケールバスアーキテクチャに対して向けられてきた。この方法の欠点は、長いバス構造および付随する静電容量の高さを理由とする、プロセッサ間の低い通信速度である。種々の光学的手法を用いたノード間通信を行うために、他の方法が試みられてきた。最近の人気のある方法は、各ノード上にｎ個のレーザーエミッタとｎ個のレーザーレシーバを有することであり、ここでｎはウエハー上のノード数である。このポイントツーポイント通信によって、各ノードは個別にかつ直接、任意の他のノードとトークをすることができる。
各ノードが１個のエミッタおよび２個のレシーバを有するブロードキャスト送信モデルへと切り換えることによって、通信に必要なチップ領域は約半分となる。より重要なことに、完全に接続されたウエハーの場合各ノードによって取り扱われる通信トラフィックは、送受信ともノード自体の演算能力と比べて簡単に過負荷となってしまう。ブロードキャスト送信モデルを備えた本発明では、各ノードは１個のエミッタを有し、送信負荷は約ｎ倍少ない一方、受信負荷は最大とすることができる。（ウエハーは、全ノードが同時に送信するよう作動可能である）。
光ベースブロードキャスト通信モードに加えて、ウエハー上の各ノードは、通常の態様で最も近傍と通信する。すなわち、各ノードは４個のデータバス（ノース、サウス、イースト、ウェスト）を有しており、したがって全ウエハーはマンハッタングリッド中に接続される。この「グリッドバス」はメッセージに対する代替パスを提供するだけでなく、シストリックアレイの適用としてだけでなく、診断用に使用してもよい。
明らかなことであるが、どの所定のエミッタも全ノードとトーク可能であるため、ある特定の送信メッセージのいずれがある特定のノードに対するものであるかを決定する通信プロトコルを設定するべきである。識別目的のためノードに番号または指標が付けられる場合、アレイ中のノードごとにマップを構成してもよい。このマップは所定のノード上のいずれのレシーバがどの特定のエミッタに光接続されるかを規定する。次に各レシーバは対象のノード上で動作する回路またはタスクによって監視され、該タスクは受信ノードに対するメッセージを識別し、他のすべてを無視する。
ウエハーを通過するメッセージは、光の制限速度および変調シーケンスの長さのみに起因して遅延する。現在の機器は、メッセージの通過を、またはプロセッサのアレイ全体にわたってメッセージをノードからノードへとリレーする手段を必要とする。
ウエハーブロードキャスト送信モデルは、材料ＤＦＩバスが光に置き換えられたという点で、データフローモデルも使用している。当該ノードがデータパケットの宛先となっている場合、データはある標的ノード上のレシーバによって受領される。これによって、ブロードキャスト送信モデル内における制御されたポイントツーポイント通信、および単一のトランスミッタからのブロードキャスト送信システム全般の情報を達成することができる。次に、ウエハー間通信の階層制御は特殊なハードウェアではなく、ソフトウェアの問題となる。
寸法が１０×１０ｍｍの２５６個を上回るダイは、直径２００ｍｍのウエハー上に適合可能であり、６００個を上回るダイは３００ｍｍのウエハー上に適合可能である。（３００ｍｍウエハーの面積は２００ｍｍウエハーの２．２５倍大きい。）ダイが大きいことは、勿論ノード数が少ないこと、および１ノードあたりの追加プロセッサおよびサポート回路のための領域がより大きいことを意味する。このノードの数とサイズの背反関係は、特定の用途に対してスーパーコンピュータ設備を調整する設計式における主要な変数となる。
要するに、ウエハーモジュールの特徴は、（１）設計された光学的相互接続に基づいた完全な光グローバル相互接続、（２）ｘ−ｙ（マンハッタン）グリッド上のローカルな相互接続、（３）各ノード上の１個または複数の変調された光エミッタであると言える。
（テラフロップブリーフケース）
光学素子を備えた１個の３００ｎｍ（１２インチ）ウエハーは、ハードウェア（ワイア、コネクタ等）、ハウジングおよび機器的サポート、補助ハードウェアへのアクセスに対する４インチの余地を加えることによって、１２インチ×１２インチの空間に適合させることができる。２〜８個のＧＦのノードがあれば、性能計数は１〜４テラフロップ（１テラフロップ＝１０００ギガフロップ）の間となり、シリコン技術の使用に依存する。このようなパッケージはブリーフケース内に好適に適合し、数キロワットの電力を消費するため、完全に携帯可能なデバイスを作成する。（バッテリは大きな補助電池パックによって駆動される。）
半鍍銀を介して互いに面している２個のウエハーは、１０２４個のプロセッサから成る完全に接続されたシステムを備えている。ウエハーＡ上のノードは、ミラーからの反射によって互いにトークするか、半鍍銀を介した透過によってウエハーＢへとトークすることができ、ウエハーＡと同様の状況がウエハーＢに対しても得られる。ノード１個あたり８ＧＦの場合、この構成に対する性能計数は約８テラフロップである。電力消費は特定の設計（シリコン技術およびクロック速度）に依存するが、１〜１００ＫＷの範囲となるであろう。低電力バージョンでは、冷却液はヘリウムさらには空気等の気体であってもよい。この高出力構成では、これは強制冷却ヒートシンク、例えば銅バージョンへと結合することができる。パッケージのサイズは、約１２インチ×１５インチ×約厚さ８インチの厚いブリーフケースと同じとなるであろう。１キロワットでは、電池動作には補助パッケージを必要とし、より高速のバージョン（現代の技術では８テラトップまで）は携帯での動作をサポートしないが、高熱容量流体および熱交換システムの形態で外部電源および追加冷却を必要とする。
現在では、光通信ノードの２×５アレイとして配置されていた１０個の光通信ノードを有するマルチチップモジュール（ＭＣＭ）またはプリント基板（ＰＣＢ）に基づく同様のシステムであって、各通信ノード（モジュール）が４個の処理ノードのそれぞれをサポートし、各処理ノード（モジュール）が４個の８ＧＦプロセッサを有するシステムを構築することができる。このようなデバイスは、標準型ブリーフケースに適合し、約１キロワットの電力を消費し、１テラフロップを超えるピーク性能を有するであろう。
要するに、テラフロップスーパーコンピュータのブリーフケースバージョンは考え付くことができるだけではなく、現在のコンポーネント技術で達成可能である。真の携帯性は、電池および冷却技術、および保存、入力、出力デバイス等所望の補助装置に依存している。
（２００テラフロップファイルキャビネット）
３００ｍｍウエハー、光学素子および冷却機構を収容する便利なキャビネットは、幅が約０．５ｍ、長さが約１ｍであってもよい。キャビネット中には、２０ｃｍの間隔をおいて、このようなウエハーが５０個存在可能であり、キャビネット中に全部で約２５，６００個のプロセッサノードを提供する。これはＡＰ１００−ＴＦ機中のプロセッサ数の約２倍であるが、光学的相互接続の特性のため、本発明では必要な空間および電力ははるかに少ない。ウエハー対ウエハー通信は、ワイヤ接続または互いに面していないウエハーの場合はＳＯＮＥＴ等の光学的相互接続であってもよい。
ウエハー、ウエハー間の相互接続、冷却板、実装ハードウェアすべてが、テラフロップキャビネットの重量に寄与している。推定される全重量は完全機能型キャビネットの場合、電源および冷却器を除いて約１５０ｋｇである。
要するに、キャビネットシステムの主な特徴は、（１）実装および冷却システム、（２）キャビネット上およびキャビネット外のファイバー光通信、（３）機能および設計のモジュール性と言える。
（ペタフロップローム）
５個から２、３ダースのキャビネットを収容する小さい空間は、ペタフロップ（ＰＦ）（１ペタフロップ＝１０００テラフロップ＝１００万ギガフロップ）範囲での演算能力を提供するであろう。５個のキャビネットは床面積の数平方メートルを占有し、１ＰＦのコンピュータを産出する一方、１枚の層中にある２ダースのこのようなキャビネットは１２０平方フィートの床面積、５メガワットの電力を要し、その結果約５ペタフロップの性能計数が発生する。対照的に、ペタフロップ機の過去に計画されたバージョンでは、本明細書中に描かれた機器よりも大幅に大きく、より多くの電力を要求する。キャビネット間の相互接続は、トランスミッタおよびレシーバをウエハー自体に集積して、標準ファイバー光通信によって行うことができる。各ウエハー間にいくつかのファイバーを備えたキャビネット間の複数のファイバーは、上述したものと同じゼロオーバーヘッドタスク切り換えおよびＤＦＩ技術を用いて、ウエハーのある１個のスタックと他のスタックとを完全に接続することができる。
（エクサフロップスイート）
２５万ウエハー、ウエハー１個あたり５１２個のノード、１ノードあたり８ＧＦによって、１エクサフロップ（ＥＦ）（１エクサフロップ＝１０００ペタフロップ＝１００万テラフロップ＝１０億ギガフロップ）の全性能計数を提供する。従来のキャビネットは上述のとおり５０個のウエハーを含有し、すなわち、このようなキャビネットが全部で５０００個、全容積は１２５０ｍ３となる。スタックされた三層が１．５ｍの装置を形成する高さであるため、これら５０００個のキャビネットに覆われた床面積は約８３３ｍ２（アクセス通路を除く）、すなわち、オフィススイートの床面積とほぼ同じ（９０００平方フィート未満）である。相互接続は光学的（光線）であり、上述の送電網および冷却液に沿ってウエハー間の空間に収容されることができる。このような機器はＡＳＣＩ Ｐｕｒｐｌｅと等しい面積を占めるが、重量は３〜４倍大きい。しかし、（テラフロップあたりの）この比面積および重量は、面積はＡＳＣＩ Ｐｕｒｐｌｅよりも数千倍小さく、重量は数百倍小さい。この極端な対照は、スーパーコンピュータの新しいファミリーが、同一のモジュラー技術およびゼロオーバーヘッドタスク切り換えに基づくＤＦＩ相互接続を用いることによって、携帯型から大規模型にわたる範囲に広がることが可能である。
比電力消費は、使用されるプロセッサに依存し、ＡＰの場合約３０ｋＷ／ＴＦであり、本発明の場合２ｋＷ／ＴＦである。これはＡＰよりも約１５倍低いが、それでもＢＧＬよりはかなり良い。しかし、本発明の比電力密度（ワット／ｍ３／テラフロップ）はさらに好ましく、ＡＰの比電力密度よりも百分の一未満である。本発明の処理密度は、主としてウエハースケール集積を理由として、ＡＰよりも２桁から３桁高い。本発明の完全な規模での実施形態の場合、ＡＰに比べて、全費用はほぼ同じかから１０倍多いと考えられているが、特殊原価（テラフロップあたりのドル、すなわち価格性能比）は本発明の場合、ＡＰの場合に比べて２桁から３桁高い。この比電力および価格性能比の極端な対照は、本発明の必要不可欠な低コストを強調している。
要するに本発明のスーパーコンピュータのファミリーの主要特徴は、（１）比サイズ、費用、能力、電力消費によって裏付けられた広い拡張性、（２）モジュラー構造、（３）内因的な低コスト、および（４）光接続の高い信頼性である。
（補助ハードウェア）
（光学的相互接続）
ウエハースケールの相互接続システムの重要な特徴は、個別エミッタのそれぞれから光を拡散するとともに、平面鏡からウエハー上に反射光を収集し、光線を個別の光ダイオードレシーバに集束させるレンズアレイである。エミッタ自体は、ガスプラズマ放出デバイス、発光ダイオード（ＬＥＤ）または固体レーザー形態の変調された光源である。
本発明では、各エミッタからの光は、ウエハー表面と平行となるよう保持されたミラーからの反射後、ウエハー全体に照射される。複合レンズアレイはこの光を各ノードに集束させる。エミッタは所定の目標ノードからの距離が異なるため、目標ノードにおける焦点は異なる位置にあり、アレイ中の各ノード上にノードのアレイを効果的に結像している。追加的なマイクロレンズは、各ノード全体に分布する各レシーバ光ダイオード上に主レンズアレイからの集束光がさらに集中するよう、各ノードのちょうど真上に配置することが可能である。
（大容量記憶およびＲＡＭ）
各ノードにおけるローカルメモリのほかに、各ウエハーは、単一のＣＰＵ（おそらくはウエハー上で使用されるプロセッサと同じプロセッサ）、大容量記憶およびランダムアクセスメモリを含む、従来のＲＡＩＤアレイまたはブレードコンピュータによって使用可能とすることができる。構成によっては、キャビネットあたり１個のＲＡＩＤアレイまたはブレードコンピュータを必要とするかもしれないが、他の構成は１個のウエハーあたり１個または複数のサーバーを必要とするかもしれない。主としてビデオまたは画像サーバーとして使用されるスーパーコンピュータは、例えば気象シミュレータ等として構成されたものより、より大容量の記憶装置を要するかもしれない。
ブレードコンピュータまたはＲＡＩと、ウエハーレベルでの自由空間ファンアウト光バックプレーン相互接続の考え方をこのように組み合わせることによって、スーパーコンピュータをまだ特定用途用に調整されていない標準コンポーネントから構成する柔軟性を格段に増加させる。モジュールに対して相互接続オプションを構築することができるため、必要に応じてより広範な範囲の問題を解決するために、所定の装置がハードウェアを簡単に再構成することができる。これは、単一の設計が非常に広範な必要性に適合できるよう、拡張性に関する変化をもたせる。
（通信）
外部（コンソールデバイス、その他コンピュータ、高速インターネット）への接続は、標準型の市販ファイバー光モジュールおよびコンポーネントによって実施することが可能である。実際、各ウエハーまたは指定されたウエハーは、このような光通信目的で、集積実装された光変調器および復調器を有することができる。
（電力の考慮）
ブリーフケースモデルの場合、ウエハーあたり２５６個のノードが存在し、各ノードあたり約５ワットで動作する。こうして１個のウエハーは約１．２５ｋＷの電力を発散するであろう。これを１ウエハーあたり５１２ノードおよび電力密度をＰｏｗｅｒ ＰＣまたはＰｅｎｔｉｕｍＴＭ程度（１ノードあたり１００Ｗ以上）まで増加させることは、ウエハーあたり約５０ｋＷが発散されることを意味している。１個のキャビネットに５０個のウエハーがある場合は、キャビネット１個あたり、低価格システムでは６５ｋＷ、高価格システムでは２．５ＭＷが取り除かれるべきである。したがって冷却システムが必要とする空間は、ウエハーを収容するキャビネットが必要とする空間と概ね同一であってもよい。
この熱は各ウエハー全体に分布し、ウエハー全体が均一で合理的な低温度に抑えられるような態様で除去されるべきである。２つの異なる取り組み方法が提案されている：（１）各ウエハーが均一に冷却されるよう各キャビネット全体に冷却液を循環させる、（２）各ウエハーまたはウエハー対を銅合金冷却板上に装着し、各冷却板は、各板に向かい、また各板を通り、各板から離れるよう循環する冷却液を有する。冷却板用液は、光コンポーネントの精密搭載用の上部構造を形成するという追加的な利点も有する。
（ソフトウェア）
（オペレーティングシステムソフトウェア）
本発明に対する主要なオペレーションシステムは、単一のオペレーションシステム画像を実行するｃｃＮＵＭＡ実行可能プロセッサのように、複数のモードを取り扱うよう構成されたＬｉｎｕｘであってもよい。単一のＬｉｎｕｘ２．６画像は各ウエハー上で作動可能であり、これによって単一のＬｉｎｕｘ画像のもとで単一のウエハー全体にわたって６５，０００〜１３０，０００個のタスクを管理することができる。サポートされるオプションのオペレーティングシステムは、Ｌｉｎｕｘワークステーションの群からスーパーコンピュータを構築するための実証済みの技術、ベオウルフ群の作成能を有するパッケージを含んでもよい。
（通信ソフトウェア）
すでに概要を述べたエミッタ−レシーバ光技術を使用して、ノード間の低オーバーヘッド通信を実行することが可能である。この技術は、ｃｃＮｕｍａの実行の基礎をなすことが可能であり、ライブラリ（例：ＭＰＩ）をプログラミングすることによって使用するために、または予約されたアプリケーションによって直接使用されるために露出されてもよい。
（コンパイラ）
本発明のシステムは、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）等の標準コンパイラを提供することができる。科学計算のために、ＨＰＦ、Ｆｏｒｔｒａｎ９０、Ｆｏｒｔｒａｎ７７等の言語、およびＣ＋＋の拡張バージョンをサポートすることができる。本発明は、データフローのマップ中間表現をマルチタスキングを切り換える細粒度ゼロオーバヘッドタスクへの最適化を初めとする、本発明のアーキテクチャの特定の強度に対するコードを生成可能なコンパイラを含むことができる。
（プログラミングライブラリ）
ＯｐｅｎＭＰ、ＭＰＩ、ＰＶＭ等の種々の携帯用スーパーコンピューティングライブラリは、スーパーコンピュータアプリケーション用の携帯用プログラミングＡＰＩを提供することができる。
（システム管理）
スーパーコンピュータまたはその他非常に大きな機器を構築する場合、システム管理パッケージ要件が存在する。本発明に対しては、システムバックアップ、システムボリューム管理、ハードウェア故障検出および隔離、リソース配分、システム分割のためのパッケージが存在してもよい。
（マルチタスキングおよびハイパータスキング）
本発明は、ゼロオーバヘッドタスクスイッチ（例：ＺＯＴＳ（商標））、および２００２年８月２３日に出願された米国出願第１０／２２７，０５０号に開示された動的変化タスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングに基づくマルチタスキングシステムを管理するハードウェア手法を含むことができる。２００２年６月２０日に出願された米国出願第１０／１７５，６２１号に開示された動的変化タスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングに基づくマルチタスキングシステムを管理するためのハードウェア方法の実施形態は、ともに、Ｘｙｒｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社および／またはＬｉｇｈｔＦｌｅｅｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から簡単に商業的に入手可能である。両社とも米国ワシントン州バンクーバーに事務所を置き、これら企業のうち１社ないし両社が、これら実施形態の供給元として商標ｈｗＲＴＯＳ（商標）として特定されている。しかし、本発明は動的変化タスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングに基づくマルチタスキングシステムを管理するハードウェア手法の実施形態に、ましてやｈｗＲＴＯＳ（商標）の実施形態には限定されない。ハードウェアのリアルタイムオペレーティングシステムは、ハードウェア内で実施されたリアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）の必要不可欠なカーネルとして考えてもよい。ゼロ−オーバヘッドタスク切り換えと、動的変化タスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングに基づくマルチタスキングシステムを管理するハードウェア方法との組み合わせによって、オンチップマルチタスキングを最適効率で実行することができ、その結果全ＣＰＵサイクルが演算タスクに適用され、管理オーバーヘッド機能上では何も浪費されない。本発明のいくつかの実施形態による潜在的なコストは、優先度管理および回路に必要なシリコン面積に起因するレイテンシーである。前者は一般的には２〜３ゲートの遅延であるが、後者はｎ１ｎタスクの規模である。これらのコストは、１ノードあたり５１２タスクまでは無視できる程度のままであり、このことは非常に低いコストで広範な範囲の適用に細粒度マルチタスキングが実現可能であることを意味している。
同じマルチタスキングの考え方が、ウエハー上のノード間の通信およびメッセージを管理している。ウエハースケールにおいて、動的変化タスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングに基づくマルチタスキングシステムを管理するハードウェア方法が各ノードに存在することは、難問題の細粒度分解に対してシステム全体で何十万の個別タスクが入手可能であることを意味している。「ハイパータスキング」という術語は、このパンウエハータスク管理とオンチップマルチタスキングからの切り換えとを識別している。スーパーコンピュータ構成では、確かにこれらタスクのうち多くは、ウエハーを縦横に動かす必要がある無数のメッセージを処理するために専用に使用されるであろうが、大部分がプログラマーに与えられ現在達成可能な効率よりもより大きな演算効率が可能となる。例えば、各ウエハー上のある種の監督ノードは、コード片のマルチタスク分解に対して責任を負うこととなる。これら監督は、必要に応じてウエハー全体またはシステム全体の複数タスクを分配する。光バックプレーンによって、監督ノードに通信される、優先度、スケジューリング、タスク完了に関する相互動作は、ハイパータスキングの論理的基盤を形成する。該基盤は、分配されているが相互調整されたマルチタスキングと考えてもよい。
ハイパータスキングによって、ひとたびソフトウェアと、ハードウェアによって起動されるマルチタスキングとの間の相互動作が理解され都合よく使用されると、並行処理の効果の度合いはこれまでの演算モデルよりも大幅に高くなる。
（データフローのインタフェース）
データフローインタフェース（ＤＦＩ）アーキテクチャによって、うち一部が小型および専用のものであってもよい、複数のプロセッサが単一のノード中に存在することができるが、一方機能部品間の効果的かつ効率的なデータ経路を維持したままでいることができる。ＣＰＵ、複数のＦＰＵ、数値演算コプロセッサおよびその他機能装置を接続する非対照的な高速バスを想像していただきたい。データパケットの動的経路設定を達成可能とするための、十分なローカルインテリジェンスがＤＦＩ中に存在することによって、制御メッセージおよびデータが遠回りの経路を移動することなく、直接宛先へと到達することができる。このフローはＤＦＩ内にローカルに管理され、ＣＰＵをより有益な作業へと開放する。ローカルな管理とは、ＤＭＡおよびバス制御用に一般に使用され、従来のアーキテクチャにはきわめて必要不可欠であった専用ハードウェアモジュールは、ＤＦＩに基づくゼロオーバヘッドタスク切り換え機器には必要ないことを意味している。
各光ダイオードレシーバ基地局が、このようなデータ経路上に存在しローカルなタスクまたはスタックプロセッサによって管理されることが想像できる。この通信システムはブロードキャスト送信モードで動作するため、受信される大部分のメッセージはおそらく他のモードに向けられたものであろう。データパケットをローカル処理することによって、たとえ全ノードが同時に情報をブロードキャスト送信していても、メッセージが互いに衝突したり遅延したりすることがないことを保証している。当該受信ノードに向けられていないメッセージは単に無視され、当該ノード内のＤＦＩトラフィックに寄与することがない。
（光パックプレーン）
細粒度マルチタスキングを避けるべき場合には、レシーバの組とエミッタの組との間の同期および調整もまた非常に難しい問題となるということは、あまり認識されていない。ポイントツーポイントの接続性およびメッセージの同期という２つの問題は、ゼローオーバーヘッドタスク切り換えおよびＤＦＩ技術と組み合わせたブロードキャスト送信モデルによって解決されることを理解することが重要である。
これまで、プロセッサの完全に接続されたウエハーが試みられてきたことはなかった。このようなタスクは、相互接続バスおよびバスアービトレーションデバイスの悪夢のような接続形態を伴う。どの実装であっても、複数の金属層を伴い、プロセッサ密度を低くする程度の十分なウエハー面積が必要である。完全なかつ直接の相互接続の唯一の現実的な取り組み方法は光である。本発明は、各ノードがウエハー上の他のすべてのノードに光接続された１個のエミッタを有する、ブロードキャスト送信モデルを含むことができる。各エミッタの上方に配置された小型レンズは、形状を有する光線を形成し、その後光線は主要複合レンズアレイ中に存在する発散素子に到達する。上記に（光学的相互接続で）説明したとおり、複合レンズアレイはウエハーとミラーとの間に配置される。このアレイは、各エミッタからの光を拡散させ、反射後にウエハー全体を照らすとともに、光を各ノードのレシーバアレイ上に集束させるようにする。追加のｎ×ｎのレンズアレイは各ノードの上方に着座し、各ノードの各光ダイオードのｎ２個のレシーバ上への主複合レンズアレイの集束を調整する。これらいくつかのレンズアレイは、光学的ホログラム、鋳造された光学素子、または個別レンズから組みつけられたものであってもよい。このゼロオーバヘッドタスク切り換え方法は、厳格な通信の一貫性の問題を、ノードからノードへと非対称的なメッセージを流すことができる細粒度タスクへと置き換えることによって、メッセージの同期化の問題に対処している。このブロードキャスト送信の考え方によって、メッセージは単一のステップ中でウエハー全体を横切ることができ、一方ポイントツーポイントの光学的相互接続は同じ結果を達成するためには約２倍のハードウェアが必要であり、リレー工程を原因としてメッセージ遅延を呼びこんでしまう。
（並列性の問題）
アムダールの法則を解決する良い方法はまだ見つかっていない。プロセッサ数が増えると、演算の連続部分が演算の実行時間を支配するため（アムダールの法則）、連続部がより効果的に実行されるよう連続部を再定義するべきである。多くの場合において、ある問題の連続的な特性を尊重する一方、マルチスレディングによって連続的手順のシーケンスを早めることができる。優先順位に基づくタスクスケジューリングを伴うゼロオーバヘッドタスク切り換えアーチテクチャは、細粒度マルチスレディングの上位集合の基礎を形成し、単純なハイレベルのマルチスレディングよりも大幅な速度の改善が得られる。その結果は、アムダールの法則を回避する効果的な方法となる。その理由は、コードのかつての連続部は、十分抽象的なレベルで書かれていれば（ハードウェアから除去されれば）、依存性がほとんどまたは全くない多数の小さいタスクに分解することができるからである。この結果は、ハードウェア制御されたタスク間再シャフリングによって達成されるメモリの除去およびデータアクセスのレイテンシーを理由として、コードを実行するプロセッサが非常に高い効率で実行している点において、コードの連続部の見かけの並列性となる。
この後者の考えを処理ノード（モジュール）全体にわたって実行するにあたって、ゼロオーバヘッドタスク切り換えの考え方が、パラレルアルゴリズムの最適実行を可能にすることが簡単に理解できる。最初に、ある所定の問題を一連のパラレル部の組およびシリアル部の組へと分解することによって、各部は一組の細粒度タスクへと効率的にマッピングすることが可能になる。該タスクはノード組全体にわたるハードウェアタスクマネージャによって管理、調整され、ゼロオ−バーヘッドタスク切り換え機構によって、わずかのオーバーヘッドまたはオ−バーヘッドを伴わずに実行される。第２に、ハードウェアマルチタスキングによって、パラレルタスク間のメッセージの通過および通信に関連するレイテンシーが避けられる。これによって、ノード間依存性に起因する問題を上述と同じ態様で緩和する。
ゼロオーバヘッドタスク切り換え、およびタスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングを動的に変更することに基づいてマルチタスキングシステムを管理するハードウェア方法、これら機構は、効率的かつ効果的な、ノード内のマルチタスキングおよびノードのネットワーク全体にわたるハイパータスキングを可能にする。この結果、低レイテンシー、データ依存性を処理する方法、およびシステム内の全プロセッサのより効果的な使用が得られる。さらに、従来のスーパーコンピュータにみられた直接メモリアクセス、バスハードウェアならびにコントローラ、クロスバー機構ならびにコントローラ、システムブロードキャスト送信モジュール等のために使われる補助ハードウェアは、全く必要としない。その理由は、上述のハードウェアによって実行される機能は、優先度が管理されたシステム中のソフトウェアタスクとして、タスク優先度およびラウンドロビンスケジューリングを動的に変化させることに基づきマルチタスキングシステムを管理するゼロオーバヘッドタスク切り換えおよびハードウェア方法に基いて、効果的に実行される。通信ハードウェアのパッケージソフトが存在しないため、複雑な通信ソフトウェアの必要性が大きく低減される。
複合レンズアレイと結合されたブロードキャスト送信モデルは、機械的な誤配列に対する公差が高いことを意味し、メッセージ間の厳格な調整の必要性をなくし、より低い電力およびコストでより速い通信を達成する。材料バスおよびクロスバスはなくなり、このことは要求されるハードウェア数および電力の発散が少ないことを意味し、この結果よりシステム全体のコストが低減される。
これら技術、技術革新および既製のコンポーネントを組み合わせることによって、規模の経済性の利点を生かした拡張可能なモジュラースーパーコンピュータとなり、現在のおよび計画された機器をはるかに上回る動的再設定性が与えられる。
（温度に関する検討）
銅とピッチ系グラファイト等、市販された既製の金属基複合材料（ＭＭＣ）は、シリコンの熱膨張率と一致し、熱を回路からヒートシンクへと伝えることができる。本発明は、回路またはウエハーに結合した金共晶を使用することもできる。さらに、必要ならばウエハーを薄くすることもできる。本発明は、熱伝導率が６０％改善された純粋なシリコン２８同位体から作成したウエハーの使用を含んでいてもよい。本発明の好適な実施形態は、−５０〜２５℃の温度で、１度以内に保持して動作することが可能である。５ｋＷ発散および１℃における厚さ２００μｍのシリコンウエハーの温度差に基づいて、冷却装置用の５ｋＷウエハーあたり約１０００米ドルのコストが推定される。
本発明のより複雑なバージョンは、ウエハーの前面に配置される透明な冷却槽も含んでいてもよい。その場合、ガスプラズマ放出装置が信号エミッタとして使用された場合、ガス放出セルは、適切な圧力で適切な気体を充填した２ｍｍ直径の小さな球を含むことができる。
（電源）
１．５Ｖかつ４０００Ａで５ＫＷが必要なことは、ささいなことではない。本発明の好適な実施形態は、標準「Ｙ」設定において完全な３位相のソルーションを含むことができる。非絶縁型直接ＰＷＭバックコンバータは１．５Ｖである。必要に応じて複数の段階を使用してもよいが、コストに関する主要な特徴は、１．５ボルトのレベルで動作中のトランジスタまたはダイオードを使用することを避けることである。最終フィルタリングは、小さい受動インダクタおよびコンデンサとともに（１ＭＨｚの切り換え周波数を使用して）実施することができる。追加的なコストおよび重量がかかるものの絶縁が望ましく、４００ＶＡＣを４８〜１２０ＶＤＣへと変換することによって第１段階に実施するべきである。演算の結果、電源は各ウエハーごとのＰＣ用電源のサイズとほぼサイズであることができる。もちろん、本発明は従来の既製の電源を使用することができる。
低電圧での書き込み損失を最小化するために、電源はウエハーのフット内に搭載されるべきである。１ｃｍ（００００’ゲージ）のコピー機ワイヤは、電源から銅グラファイトＭＭＣウエハーＴＣＥに適合したｘｙ送電網へと続いている。大量のバイパス静電容量を供給するために、チタン酸バリウム誘電体またはその他の高静電容量材料を電力プレートに一体化することができる。故障したノードまたはショートしたノードはレーザーによって除去することが可能である。あまりに多くの不良ノードを有するウエハーを切断して、標準ＩＣ用のウエハーとして使用することができる。
（機械的特性）
信頼性の高い動作のためには熱膨張係数を一致させることが重要である。銅またはＡｌマトリクス中のピッチから派生したグラファイトは、卑金属計数から−０．０２ｐｐｍ／Ｋまでの任意の熱膨張係数に一致させることができる。
光学的配列の要件は、１２インチのウエハーの場合、上下端部間で０．３ｍｒａｄまたは約１００μｍである。本発明がアセンブリ全体の温度を冷却、制御することを含むことができるという事実にかんがみると、要求される光学的配列を達成するには問題ないであろう。例えば本発明は、高さ８インチ×１３インチ平方の処理ボックス中で、内径０．５インチの絶縁された冷たい液体入力および冷蔵室に向かう非絶縁の外径０．５インチの出力チューブを備えて、実施することができる。
従来の既製のレーザーダイおよびＩＲレシーバの搭載は、標準型のピックアンドプレースシステムを使用して実施することができる。本発明は、配列要件を緩和することを目的とした、標準型ＩＣプロセスワイヤボンディングパッドの使用を含んでいてもよい。例えば、銀充填エポキシはこれら接続に固有のＴＣＥ差を調整するために十分な可撓性を有している。
（試験）
高速集積光学素子レシーバは、ブロードキャスト送信モードを使用して５１２個の光ダイオードのすべてを１度に照射するテストヘッド付きの小さな固体レーザーを使用する一方、全レシーバが動作することを保証するようウエハーを精査して、試験を行うことができる。Ａｇｉｌｅｎｔ社等多くの企業が光学テストヘッドを作成しており、簡単に商業的に入手可能である。
（ウエハー上の光電子ダイのピックアンドプレース）
本発明は、３０μｍのｘｙ精度の１２インチウエハー上でのチップのピックアンドプレース、および導電性の銀接着剤の精度の高い滴下を含むことができる。＋５μｍ以内に配置を行うことができる装置は、商業的に簡単に入手可能である。
（光学的相互接続層）
前述したように、光リソグラフィの発達および高速電気的遅延線の最小化にもかかわらず、電気的相互接続法がその限界に近づきつつあることが、長期間ずっと認識されてきた。この状況は別の見方として、電気的相互接続が限界に達しつつある一方で、自由空間光学的相互接続が、ムーアの法則にしたがって、変調光の情報容量および達成可能な光レシーバの密度に依存して増加し続けていると見ることができる。光の固有の利点は、自由空間における光の不干渉にある。光ファイバーは依然として電気遅延線、すなわちファイバーまたは電気線によって占有される物理的な空間によるいつくかの欠点を有しているものの、自由空間光通信にはこのような欠点はない。
本発明は、２つの主要な概念、光学的ファンアウトと、ブロードキャスト送信という２つの概念を同時に行うことによって、現在の取り組み方法の問題および困難点のほとんどすべてを克服する。これら概念は両方ともＦＳＯＩを有効にする考え方として広く認識されてきたが、統一した取り組み方法として組み合わせられたことはまだなかった。本明細書中で開示された新規のレンズ構造によって、ファンアウトとブロードキャスト送信の両方を単純かつ安価で、しかし高性能のＦＳＯＩへと組み合わせることができる。
本発明は、平面あるいは他の幾何構造中に存在する複数の関連された回路モジュールを完全に相互接続する方法を提供する。概念的および機能的に、回路モジュールは、コンピュータの意味における演算を行うかどうかによって、ノード、処理ノードあるいは処理モジュールと呼ぶことができる異種の機能的な組へと、グループ分けされる。マルチ処理システムは、光接続ないし電気的接続のいずれかまたはその二つの組み合わせによって接続された多数の処理ノードを含むことができる。本発明は、複数ノード間の自由空間光学的相互接続（ＦＳＯＩ）に基づくことができる。各ノッドには、１個または複数のエミッタ（トランスミッタ）および１個または複数の検出器（レシーバ）が関連付けられている。システム内にｎ個の通信ノードが存在する場合、ｎ個のエミッタおよびｎ（ｎ−１）個のレシーバ、またはｎ（ｎ）個のレシーバが所望に応じて存在可能である。各エミッタは、光学的ファンアウトを介して、システム中の他のすべてのｎ−１個のノードに情報をブロードキャスト送信する。各ノードはまた、システム中の他のｎ−１個のノードそれぞれに対してレシーバを有している。（あるいは、各ノードがそのノード自身と通信することをみとめることによって、ノードがｎ個の場合、情報はシステム中のｎ個のノードすべてにブロードキャスト送信される。）１個のノード内のレシーバに対するｎ個のエミッタの組全体のマッピングは１対１であり、その結果、あるレシーバにメッセージが存在するということだけで自動的に、エミッタまたはメッセージのソースが特定される。しかし、各エミッタはメッセージ送信時に、レシーバのすべてにブロードキャスト送信するため、メッセージの所望の宛先が曖昧になる可能性がある。すなわち、ある所定のメッセージが、システム内の全ノード、ノードの特定のサブグループあるいは単一の特定ノードに向けられた可能性もある。この曖昧性は、各メッセージに意図された受信者を識別するための短いヘッダを供給することによって解決することが可能である。このメッセージヘッダは、受信側に配置された回路によって複合化されてもよい。次に、特定のレシーバに対するメッセージは処理の後続段階へと送られる。ある特定の受信ノードに向けられていないメッセージはすべて完全に無視される。本明細書で記載される相互接続においては、メッセージの競合または衝突は問題ではない。
状況に応じて、各ノードに関連付けられた１個または複数のモジュールが存在してもよい。あるノードに関連付けられた２個またはそれ以上のモジュールが、および該ノードに対して２個またはそれ以上のエミッタが存在する場合、それぞれのエミッタを、１個または２個（またはそれ以上）のモジュールと関連付けることができる。（あるノードに対して１個のエミッタのみが関連付けられている場合、該エミッタは、該ノードと関連付けられたすべてのモジュールと関連付けることができる。）例えば、あるノードに対して４個のレーザーダイオードが関連付けられ、４個の演算処理モジュールが該ノードと関連付けられる場合、各演算モジュールは、ダイオードエミッタのうち１個と１対１の関連性を有するかもしれない。また、当該（複数のモジュールと関連付けられた）ノードに関連付けられた各光信号検出器は、入射する受信データ信号が当該ノード宛になっているかだけでなく、入射データ信号が向けられた４個の関連付けられたモジュールのうちいずれに向けられたかについても、クエリーを実行する必要がある。
この新しいブロードキャスト送信能力は、ピーク性能に対するパーセントとして表される性能の大幅な向上につながるはずである。本発明から導き出されたブロードキャスト送信方法は、短いメッセージに対する同時のノンブロッキングブロードキャスト送信能力である。本発明によって提供される８バイト帯域は競合システムよりも１００倍以上高いが、ピークブロードキャスト送信帯域は、通信ノード数の倍数である。これは、６４通信ノード用の場合、１通信１秒あたり７ギガバイトを超えるピークブロードキャスト送信帯域、１秒当たり４４８ギガバイトのピーク二等分ロードキャスト帯域へと変換される。いずれも、１秒あたり２．５ギガバイトで動作する市販のＳｏｎｅｔＯＣ４８電気光学的コンポーネントに基づいている。この予期しない好ましい結果は、６４個のレーザートランスミッタのすべてが全受信ノードに対して光学的ブロードキャスト送信を行うことができる能力に起因し、この場合各レシーバまたは（単数または複数の）画素が関連付けられた短いメッセージ用のバッファを有している。
（光学的ファンアウト・ブロードキャスト送信）
本発明はこれまで実施され、小さいボリューム中に多数の処理素子を相互接続することを実証している。本発明は、単一の光エミッタが信号を複数のレシーバにブロードキャスト送信することが可能な光学的ファンアウトを利用している。ある所定のエミッタは複数のレシーバに対して効率的かつ効果的にブロードキャスト送信することができるが、単一のレシーバは１個を超えるエミッタから情報を受け取るべきではない。受け取ってしまうと、メッセージの競合および発信源の混乱が生じる可能性がある。電気的にはこのファンアウト機能は、電気クロスバーと呼ばれることが多く、電気的ファンアウトまたは多重化回路、および所定の発信ノードからの経路ごとのバッファ増幅器によって達成される。光学的には、ファンアウトを達成する簡単な方法は、光学素子でエミッタの出力を拡散させ、次にファンアウトされた光線を複数の集光レンズで再集束させることである。ブロードキャスト送信メッセージはシステム中の全受信ノードにほぼ同時に到達するため、送信メッセージの所望の単数または複数の受信者を特定するための宛先コードが必要である。このコードは、メッセージを電気的および光学的にブロードキャスト送信するために必要である。
図１７は光学的ファンアウトの概念を例示する。本明細書で開示されたブロードキャスト送信方法は同時（システム内の全ノードに対して同時）であり、ノンブロッキングである（複数のノードが同時に情報をブロードキャスト送信してもよい）。本明細書では「ブロードキャスト送信」は他に別途記載のない限り「同時でノンブロッキングなブロードキャスト送信」を意味するよう解釈される。
図１７には、光源からのファンアウト（発散）が示されている。光源１７１０は図の左側の円で表示されている。頂点を光源とする網掛けされた三角形は、光源からの光線の固有の拡散または発散を表している。光源（エミッタ）は１個あるいは複数の光信号エミッタであることが可能である。光信号エミッタは、ガスプラズマ放出光信号エミッタ、発光ダイオードおよび／またはレーザーダイオードまたはその他任意の信号送信可能な光源である。１個を上回るエミッタの場合、複数のエミッタは光信号エミッタの群を画定する。エミッタ群は、周波数（波長または色）の多重化を可能にするために異なる周波数上で動作するエミッタおよび／または平行出力合成を可能にするためにほぼ同じ周波数上で動作するエミッタを含むことが可能である。（同様に、他の箇所でより詳細に記述されている光レシーバ（検出器）は、同一種類または異なる種類のレシーバの群を定義することができる。本明細書全体にわたって、エミッタまたはレシーバ（またはその等価物）という術語が提示された場合、対応する画定可能な群もまた記載されるものとみなされる。
また図１７を参照すると、拡散素子１７２０は、他の部分で記述し他の図に示す集光および集束素子を覆うために初期光線のファンアウトを増加させることができる。拡散素子１７２０は、１個またはそれ以上のレンズまたはその他任意の光拡散能力を有する光拡散構造である。拡散素子１７２０は凸レンズ、凹レンズおよび／または凸凹レンズを含むことができる。拡散素子はフレネルレンズを含むことができる。拡散素子はホログラフィック素子を含むことができる。
相互接続中の各エミッタからの光は、エミッタに結合された集積光学素子によって行われる、１個または複数のガスプラズマ放出エミッタ、レーザーダイオードまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）で共通にパッケージされたレンズの拡散、形成等、初期の光学的ファンアウトを経験することができる。さらに集積光学素子およびエミッタは、エミッタに対して信号および／または電力を供給する回路と一体化することが可能である。本発明では、エミッタに沿って配置され、好適には集光光学素子と略同一面内に存在する１個または複数の光学素子の使用につれて必要となる、ファンアウトを増加させることができる。（これら集光光学素子は、後続の部分でより詳細に説明されるであろう。）
エミッタからの光が十分に拡散されて、受光素子の組全体、あるいは少なくとも受光素子のサブセットが覆われるか照射されると、個々の受光素子（例：受光器）は、ブロードキャスト送信された信号の検出ができる十分な強度を持つよう、光を十分集中させるべきである。送信される光線の強度が十分である場合、追加的な集束素子は必要ない。このような配列は、小さい領域に存在する１組のレシーバに対するブロードキャスト送信に対してのみ実用的である。この受信領域が大きくなればなるほど、各検出器（例：受光器）に十分な光強度を供給するために光源はより高強度となるべきである。本発明は、発散および集束光学素子の新規構造によって、レシーバでの不十分な光強度の問題、およびエミッタ光線のレシーバ位置への精密配列を維持する問題を克服する。ＦＳＯＩの問題に対する通常の取り組み方法とは対照的に、エミッタ光の正確な方向を維持することは重要なパラメータではない。本発明では、重要なパラメータはレシーバの組に対するエミッタの位置となり、プリント基板（ＰＣＢ）およびマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の達成のためには比較的簡単なものである。シリコン超小型電子技術の製作に現在使用されているリソグラフィック工程は、本発明で要求されている精度を達成するために必要な精度よりも、少なくとも一桁分精密である。こうして、ポイントツーポイントシステムにおける光線の方向に対する制約は、本発明によって提供される達成が容易な位置的な制約によって置き換えられる。
エミッタのアレイの像をレシーバアレイとともに登録することは、各レシーバアレイの上方にあるレンズ構造の配置および設計に依存している。本構造の配置に対する制約は、主として横向きの性質があり、レシーバの間隔の一部に適合するべきであるが、これは、ＰＣＢまたはＭＣＭ上に精密に配置された取付用ポストまたは隔離体を使用することによって比較的に簡単に達成される。本明細書中で開示されたシステム中の位置および角度の公差は、レンズ構造の屈折力のおおよそ倍数である。例えば、直線寸法ｄのエミッタのアレイが、システム光学素子によって直線寸法ｒのレシーバのアレイ上に集光する場合、ｔｍｍの直線許容範囲はｔ ｄ／ｒｍｍとなる。ここで一般にｄ／ｒは好適には約１０以上である。
こうして、制約がレシーバ上への光線焦点を５０μｍ以内に維持することであれば、レンズ、取付ポストまたは他の素子の配置は、集合的に誤配列が０．５ｍｍ未満となるよう寄与している。これは非常に達成しやすい公差である。
図１８には、電気的マルチプレクサまたはファイバー光スターマルチプレクサのように複数の増幅器またはバッファを必要としない、光学的多重化の形態が実施されている。図１８は、１個のエミッタからの情報が１組の集光および集束（例：収束）素子を使用して複数のレシーバにブロードキャスト送信することができるかを例示している。
図１８は、図の左側の光の円錐の頂部に配置された１個のエミッタからの光学的ブロードキャスト送信を例示し、本発明の実施形態を表している。この１個のエミッタからの光は、この図に示されていない適切な光学素子（例：発散両凸フレネルレンズ）によってファンアウトされてきた。集光・集束光学素子１８１０のアレイは、図の右側に示された楕円形の柱によって表されている。集光・集束光学素子１８１０の各素子１８２０は、１個または複数の、レンズまたは他の任意の集光および集束能力を有する光拡散構造であることができる。集光および集束素子１８２０は、凸レンズ、凹凸レンズおよび／または両凸レンズを含むことができる。集光および集束素子１８２０は、フレネルレンズを含むことができる。
各集光光学素子上に入射するファンアウトされた光は、光アレイの右側にある光円錐の頂点１８３０に配置された受光器上に集束することができる。こうして、１個のエミッタからの光はファンアウトの使用を介して複数のレシーバに対して提供可能であり、その結果、光に含まれる情報は、集光素子の適切な焦点に位置するすべてのレシーバへとブロードキャスト送信される。レシーバは同一平面の配列内に配置可能であることが理解されるであろう。任意の特定のレシーバは、メッセージの宛先を特定するために設計されたコード（例：ブロードキャスト送信パケット中のヘッダ）を検査し、当該メッセージが別のノード用にマークされていることを確認することによって、そのメッセージを無視する。本明細書中に開示された例示的なレンズ構造のファンアウトおよび多重化の性質の組み合わせは、完全に相互接続された、ブロードキャスト送信の光学的相互接続されたシステムを達成するための特定の取り組み方法を備えており、本発明はもちろん記載の例に限定されない。
（光学的相互接続）
本発明は、ライトパイプまたは光ファイバー中のような、閉じ込められた光線に起因する結合および分裂の問題を大幅に回避している。さらに、本発明は電気的な相互接続およびポイントツーポイントＦＳＯＩ法に関連した、より重要な問題を大幅に回避している。
図１９には、３個のエミッタＡ、Ｂ、Ｃの組が左側に配置され、レシーバの組が図の右側に配置されている。図１９は、複数のエミッタから複数のレシーバへと光情報をブロードキャスト送信する概念を例示している。エミッタＡ、Ｂ、Ｃからのファンアウトされた３個の信号は、集光・集束光学素子１９１０の組によって集光および集束される。図１９は、エミッタおよびレシーバが異なる面に存在する「非折り畳み型の」構成を表していることを理解することが重要である。ミラーがエミッタとレシーバの両方を含む面と略並行に配置されている折り畳み型の構成を採用することが可能であり、本発明の好適な実施例である。図１９は、ミラーが左側のエミッタ面と右側のエミッタ面とのちょうど真ん中に位置し、ミラーの反射面がエミッタ−レシーバアレイを向くよう想像することによって、折り畳み型の構成を表すことも十分可能である。この図の解釈にあたって、この図は折り畳まれておらず、装置自体ではなく右側のレシーバアレイが、左側のエミッタの面に存在する実際のレシーバの鏡像である。左側の上から下へのＡ、Ｂ、Ｃの順序は、（逆転）像と同じく、右側の上から下へｃ、ｂ、ａと反対になることに留意されたい。都合に応じて場合によっては、非折り畳み型の図を使用して、光学的相互接続の折り畳み型の構成および非折り畳み型の構成の両方が例示されるであろう。
図１９では、複数のソースからの同一の集光・集束光学素子１９１０の組に向かうファンアウトが描かれている。この光学的多重化は、システム内にｍ個のレシーバアレイがある場合（ｎはｍと等しくなくてもよい）、ブロードキャスト送信モードにおいてｎ個のソースをｎ×ｍ個のレシーバに接続する光学繊維を確立する。各エミッタは、左側に大文字（Ａ、Ｂ、Ｃ）で標識される。右側のレシーバアレイ１９４０の各組（図１９では７組描かれている）は、３個のエミッタのそれぞれから光を受ける。各レシーバは、小文字（ｃ、ｂ、ａ）で標識される。互いにインコヒーレントな光源からの光は光学素子においては互いに干渉せず、異なるソースからの光が自由空間では干渉しないため、特定のレシーバに到達する光は、例えばどのレシーバに対してであっても、１個のエミッタを発生源とする（この場合Ａ）。
（図１９には示されていない）ミラー素子は、表面鏡、金属めっきされたグラス基板等、必ずしも鏡面反射装置である必要はない。ミラーを映画または映写スクリーンにみられる拡散反射に置き換えることも可能である。このスクリーンの実施において、エミッタからの光は拡散せず、狭く集束した光線として維持される。光線のアレイは、正確な碁盤目の点でスクリーンに衝突する。次に各光線はスクリーンから拡散反射を受け、集光レンズのアレイ全体に照射される。この方法では、金属めっきされたミラーからの鏡面反射の場合よりも、より多くの光が失われる。この場合配列はより困難になる。というのは、発光された光線はそれぞれ、レシーバの有効部分の約半分の大きさ（通常は２００〜３００μｍ以下）に上述の屈折力をかけた精度内で、スクリーン上の位置に厳密に向けられるべきであるからである。レシーバ面に対するスクリーン面の平行性に関する制約は以前と同じであるが、光学的ブロードキャスト送信の全体的な効果は達成可能である。
エミッタ、レシーバ、レンズ、ミラーまたはスクリーンの配列は、演算群中で各プロセッサノードを他のすべてのプロセッサノードに光学的に相互接続する光バックプレーンまたは繊維を形成する。この相互接続法を効果的かつ効率的に機能させるための基本的な考え方は、上述の光学的ファンアウトおよび光学的ブロードキャスト送信である。本文書は、エミッタとレシーバ基地局との間の効果的な光結合を達成するためのいくつかの方法を開示している。
（好適なレンズ構成）
本発明の目的は、エミッタのアレイをレシーバの複数のアレイ上に光学的に結像する方法を提供することである。各レシーバアレイは、エミッタアレイ全体を眺望する光学素子の像平面中に存在するべきである。レシーバアレイ、集光レンズおよびその他１個または複数のエミッタからの出力を拡散するために必要な任意の光学素子等、単一の集光レンズの焦点面に存在するレシーバアレイと通信する、単一のノード、ノードまたは回路モジュールの一群は、「光ノード」と名づけることができる。光ノードと関連付けられたレンズ構造は、ノードのアレイ全体を照射するためにエミッタから光を拡散するとともに、システム内の全エミッタからの光を当該光ノードの特定のレシーバアレイ上に結像する。
一般的に１個のノードは、各プロセッサノード（モジュール）ごとに１個のエミッタを有するが、これは必須の制約ではない。というのは、処理ノード（モジュール）はそれぞれ、１個を上回る数の光エミッタを有することができ、あるいは時間的多重化によって光エミッタを共有してもよいからである。ある光ノードに属するレシーバアレイは、単一の処理ノード（モジュール）に属していてもよく、あるいは特定の光ノードと関連付けられる可能性がある処理ノード（モジュール）のグループによって共有されてもよい。
本発明の一実施形態において、各ノードは関連付けられたエミッタおよび関連付けられたレシーバアレイを有する。各レシーバアレイがエミッタのアレイ全体の像として構成されるという制約のもとでは、任意の多様な構成が可能である。想定可能なエミッタおよびレシーバの２構成を図２０Ａおよび２０Ｂに示す。
図２０Ａおよび２０Ｂを参照すると、エミッタを１個のみ有するノードの前面に対する想定可能な多くの構成のうち２構成が描かれている。１個のエミッタは白丸で示されており、レシーバは、ノード面の境界を示すより大きな四角形中の中央にある黒点のアレイとして示されている。（図示しない）対応するレンズ構造は紙面の上方に位置している。図２０Ａ、２０Ｂともに、レシーバアレイはノッド面の中心に位置している。図２０Ａは、レシーバアレイ２０００の上方および左側にあるノードのエミッタ２０１０を示している。ここでノード内右下にあるレシーバ２０１５は、当該ノードのエミッタからの光を受ける。図２０Ｂに示すノード面の層においては、エミッタ２０２０はレシーバアレイ２０３０の中央に配置されている。ノードのレンズ構造によって形成された像は自己のエミッタの光をエミッタ２０２０上に映すが、これによって問題は発生しない。その理由は、この特定の光路はエミッタの直接上方にある集光光学素子によって集束されるのではなく、発散光学素子によって２倍に拡散される。この動作は図２０Ａでも発生するが、エミッタ２０１０からミラーに向かい、さらにレシーバアレイの上方に集中した集光光学素子の中心を通って戻る光は、実際は右下にあるレシーバ２０１５へと到達する。ノードは、任意の数のエミッタおよび処理ノード（モジュール）を収容することができるが、この数は実用上の検討事項によって通常１、４または８個へと制限される。この数が増えるほど、ノード中の各レシーバから情報を受けるため、より多くの処理ノード（モジュール）が必要となる。ある時点において、複数の回路モジュールを１個のレシーバへと接続する電気的なファンアウト回路は、大きすぎて扱いにくくなる。図２１Ａ〜２１Ｃにいくつかの構造を例示する。
図２１Ａ〜Ｃには、３つの好適なノード面の実施形態が描かれている。大きな白丸はエミッタを表し、アレイ状のドットはレシーバアレイを表している。図２１Ａに示す実施形態は、エミッタの多重度１を有し、１個のエミッタ２１１０およびそれに関連付けられたレシーバアレイ２１２０を示している。レシーバアレイ２１２０の５個×５個の構成要素構成から、このノードが２５個のノードから成るアレイの一部として配置されるために構成されていることを理解することができる。エミッタ２１１０が１個を超える数のモジュールによって共有されている場合、レシーバアレイ２１２０中の各レシーバは、入射する信号が当該１個を超えるモジュールのいずれかに向けられたものかどうかを決定する必要がある。図２１Ｂに示す実施形態は、エミッタの多重度４を有し、ノード構成としてはより好適な実施形態である。４個のエミッタ２１３１、２１３２、２１３３、２１３４がレシーバアレイ２１４０の外側の角部に配置されている。レシーバアレイ２１４０の６個×６個の構成要素構成から、このノードが９個のノードのアレイの一部として配置されるために構成されていることを理解することができる。４個のエミッタ２１３１、２１３２、２１３３、２１３４のそれぞれが４個のモジュールのうち１個と関連付けられている場合、レシーバアレイ２１４０中の各レシーバは、入射する信号が当該４個のモジュールのいずれかに向けられたものかどうかを決定する必要がある。図２１Ｃに示す実施形態は、エミッタの多重度８を有する。８個のエミッタ２１５０がレシーバアレイ２１６０の周囲に互いに離れた関係で配置されている。レシーバアレイ２１６０の構成要素の構成から、このノードが４個のノードのアレイの一部として配置されるために構成されていることを理解することができる。８個のエミッタ２１５０のそれぞれが８個のモジュールのうち１個と関連付けられている場合、レシーバアレイ２１６０中の各レシーバは、入射する信号が当該８個のモジュール向けのいずれかに向けられたものかどうかを決定する必要がある。これら３つの配列は、エミッタ像が、システム中の任意のレシーバアレイと合致するよう設定された焦点の規則的アレイとなるように、アレイ中のエミッタが規則的かつ均一な間隔を有しているノードのアレイにおいて、繰り返すことができる。
本発明のより好適な実施形態において、各ノードは多重度４を有し、このことは各ノードに関連して４個のエミッタが存在することを意味している。これらエミッタは図２１Ｂに示すように間隔をあけることができる。図示する間隔によって、エミッタ間の間隔がアレイの垂直および水平方向とも同じである場合、例えばノードの正方形のアレイを組み付けることができる。ノード面は正方形であることができ、これが最も便利な形態であるが、本発明は正方形面のノードに限定されない。
多重度４のノードのアレイの、１ノードあたり１個のエミッタを有するアレイに対する利点は、単位面積あたりの光度は所定サイズのアレイに対して４倍であり、全システム中のレシーバ数は７５％少ないことである。システムの全サイズは、他の因子の中でもとりわけ、レシーバの物理的寸法に依存している。こうして、ノードの多重度４のアレイは多重度１のアレイと比較して約７５％占有領域が少ない。レンズ構造の数も７５％少ないが、これら構造（光学素子）は各構造が４個のファンアウト素子を含んでいるため、一般にはより大きい。反対に、相互接続の物理的寸法を制限すべくレシーバエミッタ面に接近してミラーを保持しておくことは、より大きな開口数を有するレンズ素子が必要となる。
光学的相互接続の重要な素子は、メッセージのブロードキャスト送信を達成するために個々のエミッタのファンアウトと、種々の光線中で搬送される混合されたメッセージを図１９に示す種々のレシーバアレイ上での空間逆多重化を同時に可能にするレンズ構造である。エミッタ面からの光はエミッタ面の近くに存在するレシーバ面（あるいは、同等に、折り畳みミラーがエミッタとレシーバの両方を含む面の近くに存在している）に集束するため、エミッタをレシーバアレイ上に結像させる最適なレンズ設計は、図２２に示すような有限共役焦点距離とともに設計されるべきである。図２２には、光学素子の集束素子によって画定された共役焦点距離が示されている。代表的なレンズでは、焦点距離ｆ１は（光の平行光線に対しては）無限遠であるが、ｆ２は一般的なカメラでは５０ｍｍである。光ノードの光学素子中に使用される例示的な集束素子２２１０の場合、ｆ１はエミッタ２２２０からレンズへの距離であり、ｆ２はレンズからレシーバ２２３０への距離である。これら距離は、エミッタ２２２０中の固有の拡散およびこの拡散を調整するために必要な光学素子に依存して、大きく異なる。
各光ノードは、図２２に示す関連付けられた集束レンズを有することができる。ノードのアレイ中の全エミッタからの光はこのレンズに向かい、図２２の左側の網掛け領域として理想化される。このレンズの機能は、すべての入射光をノードに面したレシーバ２２３０上に集束させることである。これは図２２の右側の網掛け領域として表され、対象となるレシーバ２２３０は最も右側の網掛け領域の頂点に存在する。好適な実施形態では、この受光・集束光学素子は、光学的相互接続システム用に選択した寸法に合致する共役焦点距離を備えた非球面のフレネルレンズであることができる。
ノードの面上のエミッタの組はノードアレイ全体を照射するべきであり、集光・集束レンズは、システム中の各エミッタの屈折力の要件を低減するために、できる限り効率的であるべきである。したがって、エミッタからの発散光およびレシーバへの集束光は、同じ光学系を通過するべきである。このことによって、集束素子は該素子のいずれかの側から入射する光を集束させるため、非一貫性が生じる。このジレンマに対する解決法は、集束レンズ中に「拡散開口部」を配置し、エミッタからの光が集束されることなしに集束レンズの領域を通過することができるようにすることである。エミッタの固有の発散によって光がノードのアレイ全体に到達し、該発散が集光光学素子を通ることによって大きな開口部を要求するほどは大きくない場合、集光光学素子中に単純な穴があれば十分であろう。しかし、通常の場合、デバイスから発せられる本発明の実施に最も好都合な光は、２〜３度の非常に狭い円錐内で楕円形の断面で現れる。補償光学素子はエミッタに配置することが可能であり、２〜３度の円形拡散光線を生成する。この光線がレンズ構造の位置に到達すると、直径が２〜３ｍｍになるかもしれない。この光線がノードのアレイ全体を覆うよう広がるためには、通常は、実用的な距離よりも何倍も大きな距離を必要とする。この場合、拡散開口部は、必要であれば、楕円形状の光線を補正することもある小さな発散レンズを収容することができる。多重度４のフレネルレンズ構造を図２３Ａ〜２３Ｂに例示する。
図２３Ａ〜２３Ｂを参照にすると、４個の処理ノード（モジュール）を使用可能にする１個の光ノード（モジュール）の複合レンズ構造２３００が描かれている。図２３Ａは、４個の小さな同心円の組として描かれる４個のフレネルレンズ２３１１、２３１２、２３１３、２３１４を用いて、４本のエミッタ光線を拡散するよう設計されたフレネルレンズ構造の上面図である。レンズ構造の集光部２３２０は、大径の複合非球面レンズの正方形部または正方形内に存在する小径のフレネルレンズを含むことができる。正方形の寸法は最適集光効率のためのノード面の表面寸法と合致する。図２３Ｂは、複合フレネルレンズ構造２３００の断面を示している。図２０Ａに描かれる構造に合致した多重度１のレンズ構造であれば、図２３Ａ（左上２３１１、右下２３１３および左下２３１４）に描かれる３個の小さいフレネルレンズを有し、これら領域に連続する大きいレンズの溝が取り除かれているであろう。
光ノードのレンズ構造の集光部は、球面レンズ、非球面レンズ、回折素子（２進法の光学素子およびホログラム）、光ファネル等、一般に光を集め集束させる能力があればどんな構造であってもよい。ある特定の実施形態は、図２３Ａ〜２３Ｂに示す２個の異なる共役焦点距離を持つよう特別に設計された、非球形の複合フレネルレンズであることができる。設計全体の制約は、（レンズ構造の面積および共役焦点距離の合計より求められる）光の占有容積を最小化し、レシーバ素子のアレイを最適なサイズにすることである。（レシーバは、焦点間のクロストークを最小化あるいは低減するために大きく離して配置するべきであり、またアレイがノード面上の所望の面積内に収まることを保証するよう十分接近して配置するべきである。）
（非球面レンズ設計）
非球面レンズ表面の設計式は、以下によって求められる。
Figure 0004290652
 ここでｚは、ｘ−ｙ面の上方にあるレンズ面の高さであり、長さの寸法を有している。κは曲率の寸法であって長さの逆数の寸法を有しており、ρ１はｘ−ｙ面で測定したレンズ軸からの軸距離であってこれも長さの寸法を有している。膨張係数αｊは屈折強度ｊ−１に対する長さの逆数を有している。パラメータｋには次元がなく、−１と＋１の間に存在している。ｋ＜０の場合、レンズは高い縦横比を有する。（ｋ＝−１で放物線面を生成する）。ｋ＝０の結果球面レンズとなり、ｋ＞０の場合低い縦横比で端部の鋭いレンズとなる。
パラメータκ、ｋおよび係数αは、所望の距離におけるレンズの焦点領域を最小にするために、最小化または進化的プログラミング工程によって選択される。図２２において、第１のステップはｆ１での焦点および右からの入射平行光線を受ける右側のレンズ表面を考慮することである。設計式を使用して、スネルの屈折の法則を用いて右側のレンズ表面全体に透写された平行な光束を集束させる。このタスクを達成するために必要なできるだけ少ない数の膨張係数が選択される。左向きに進む平行光を正確に集束するレンズ表面がひとたび発見されると、次に左側のレンズ表面は図に示すように配置され、新しい光線の束が左側の焦点から、第１のレンズ表面（左側レンズ表面）を通って、屈折率ｎの材料へと透写され、その後第２レンズ表面（右側表面）へと到達する。このステップの場合、左側表面のための新しい表面パラメータの組が選択される。右側表面のパラメータは、その後変化する。図の左側の焦点距離ｆ１で発生した光束が、図の右側の共役焦点距離ｆ２で適切に集束されるまで、このプロセスは繰り返される。フレネルレンズの場合、光線がシステム中に透写される前に、表面高さｚは図２３Ｂに示されるように段差がつけられる。このプロセスは一般に、十分なパラメータの組を十分迅速に集束させ、次に該パラメータの組を製造工程で使用することができる。
（非対称非球面のレンズ設計）
上述の設計工程は、レンズの軸上に位置する光源および焦点両方のために最適化された軸対称なレンズを生成する。本明細書に開示される光学的相互接続では、大部分の光源はレンズ軸から遠く離れている。このことは、特に多くのエミッタおよびレシーバアレイを有する大きいシステムの場合よく当てはまる。軸外光源に対応するため、ある所定のレンズを若干非対称的にして、光源がレンズ軸から若干離れている集束光に向けてレンズを付勢することができる。式１は、レンズ表面をρにおける単純多項式へと展開する。屈折強度ρの合計を球面調和関数に置き換えることによって、必ずしも軸対称でない表面を一般的に表すことができる。このような表面は、軸外光源を補正するためのへこみやふくらみを有するであろう。レンズを非対称化する設計工程は、まず最初に前節に記載したような軸対称レンズを設計することである。この近似レンズ表面に、以下の式で表す形状の球面調和関数を加える。
α２（Ａ２―ρ２）×ρ−１ または α２（Ａ２―ρ２）（ｘ２―ρｙ２）ρ−２ （２）
ここで、α２は長さの逆数の単位を有し、Ａは開口部半径、ρ＝（ｘ２＋ｙ２）−１／２であり、ｘおよびｙはレンズのｚ軸を有する面におけるデカルト座標である。上述のように係数α２は、軸外光源のレンズ焦点を所望の位置に合わせ、今や焦点領域を最小化するために調整され、コマ収差および球面収差を示す。このプロセスは、焦点位置および焦点領域のサイズに関する所望の公差に到達するまで、次のより高次の球面調和関数で繰り返してもよい。ニューヨークのＤｏｖｅｒ ＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎのＧ．Ｓａｎｓｏｎｅによる「直交関数」等直交展開に関する参照文献は、本手順への使用に必要な関数形式を提供することとなるであろう。
（ノードの正方形アレイ用の光予算）
各エミッタからの光は全レシーバが照射されるよう拡散されるべきである。実際的な観点から考えれば、このことは各レシーバアレイの上方に存在するレンズが、システム中の各エミッタから十分に照射を受けるべきであることを示唆している。プリズム、光学くさび等光学素子が使用されない限り、任意のエミッタからの光は、ノードのアレイ全体にわたって最大寸法にわたって効果的に広がっているべきである。アレイの形状が正方形または長方形であれば、この寸法は対角線となる。アレイが円形の場合、この寸法は円の直径である。平面アレイの最大寸法は、外部エミッタのアレイ端部への距離の２倍分だけわずかに減少する。このように、エミッタが図２０Ａ〜２０Ｂまたは図２１Ａ〜２１Ｃに示すとおりであり、ノード面が５０×５０ｍｍの正方形であれば、低減は約２５（２）−１／２ｍｍとなる。正方形中にこのようなノードが２５個配置されているならば、光円錐の半径はレンズ構造のアレイ上に戻るよう反射されると、（２）−１／２（５×５０−２５）ｍｍまたは約３２０ｍｍである。光を折り返す光学素子がなければ、光は反射後ノードアレイの外側に当たるか、完全にミラーから外れる。その場合、光は、約３２０，０００ｍｍ２の面積に均一に拡散し、エミッタ光線内で均一の照射を行う。この場合、集光レンズの最大面積は５０×５０ｍｍ２であり発散光学素子によって必要とされる面積１０〜２０％が低減されるため、光が任意のレンズ構造に当たり任意のレシーバ上に集束する割合は、光の割合は、これら２つの面積比、すなわち０．８％である。これは種々の光学素子中の反射損失および凹凸によってさらに低減される。
１ノード面積あたりの集光がノード面の寸法に比例した正方形のアレイでは、集光された光の割合は以下の式（３）によって与えられる。
Figure 0004290652
 ここで、ｎ２はアレイ中のノード数である。また、εは光学素子の効率であり、反射損失、発散光学素子（図２３Ａ〜２３Ｂに示す小さい挿入レンズ）による面積の損失、および光学素子中のすべての経験的な欠陥を構成している。一般に、εは多重度４の構造の場合０．４であり（図２１Ｂ参照）、多重度１の構造の場合０．３である（図２１Ａ参照）。
一般的な商業的に入手可能な受光器は、約−２１ｄＢｍの感度（光強度約８μＷ）を有している。活性領域は、面積０．０４ｍｍ２の１辺約０．２ｍｍの近傍である。理想的な光学素子であれば、各エミッタの像を、受光器の中心に位置する直径０．２ｍｍの点に正確に集束するであろう。光受光器間の間隔が小さい数であるが、幅よりも大きい数であれば、焦点または配列中のいかなる小さい欠陥、あるいはすべての機械的振動はレシーバ間に望まれないクロストークを引き起こす。機械的な配列および頑強さの観点から考えると、ノード面の物理的サイズによって課される制約の範囲内で、できる限り離して受光器を配置することが好ましい。次に、誤配列および機械的な不安定性に対する頑強性は、光を各受光器の中心にある領域に集束させることによって達成される。勿論、追加的なマイクロレンズを各レシーバのちょうど上方に配置して、拡散した光線をレシーバ上に集束させてもよい。
構成上の制約が、エミッタから角のレシーバへの距離がレシーバ同士の距離と等しくなるよう選択することであると仮定すると、図２１Ｂに示すようなノード（すなわち４個のエミッタ、すなわち多重度ｋ＝４）では、レシーバ間の間隔はｓ／２（２ｎ＋１）となる。ここで、ｓはノード面の辺の寸法である。これは図２１Ｂに示すｎ＝６のノード中に示されている。集束点の最適直径は、より制限的な０．２ｍｍではなく、ｓ／２（２ｎ＋１）となる。最適直径スポットの面積の、理想的スポットに対する比率は、エミッタのパワーを調整するために必要な余剰のパワー率であり、そのためレシーバは機械的に最適なレシーバ間隔を有する十分なパワーを有する。小さいアレイの場合、この方法によって計算されたスポットサイズは、約１ｍｍより大きく、この寸法は、誤配列または振動の極端な事例を除けば、満足させるには十分である。より大きなアレイの場合、この間隔は２００〜３００μｍの範囲であり、カスタム設計・製作されたレシーバアレイが必要なことを示している。
（機械的な安定性および焦点）
集光・集束光学素子がレシーバアレイに対して最適位置に配置されている場合、光学素子によって形成される各エミッタ像は、各レシーバの対応する活性領域を備え、精密な位置合わせ中に存在する。レシーバは一般に直径が２０〜３０μｍであり、面積が大きくなると応答の遅さを示唆するため、最適な焦点位置もまた、レンズの欠陥、機械的な誤配列、機械的な振動に対して最も不安定である。このような欠陥によって通信が一時的に喪失するが、機械的なショックによる誤配列は永久的な通信の損失につながる可能性もある。集光・集束光学素子をレシーバアレイに近づけるよう移動することによって、ノード面上の焦点はレシーバの活性領域周辺の焦点領域となる。焦点領域の最適直径は、レシーバ中心間の間隔である。勿論レシーバでは、レシーバの活性領域の直径よりも小径の焦点よりも、焦点領域内での光強度は低い。レシーバにおけるこの強度損失を補償するために、より強力なエミッタを使用することが可能である。
適切な焦点領域を設定するために、ノード面の層からレンズ構造の面までの距離を調整することが可能である。領域の構成を図２４に示す。
図２４を参照に、焦点下にあるという概念を表す。集光・集束光学素子２４１０は、左側の大きな楕円によって表されている。右端にある点は光学素子２４１０の焦点に位置している。光２４３０の円錐は、三角形の網掛け領域で表され、ノード面２４４０の面中にあるレシーバは小さな白い楕円で表されている。レシーバの周囲にあるドット付きの楕円は、ノード面の平面内に存在し、各レシーバ２４５０に関連付けられた焦点領域の範囲を示している。
小型レンズアレイが集束小型レンズ含まれるよう、小型レンズアレイ（正の焦点距離）を選択することによって、レンズ構造のアレイはノード面により近く配置される。反対に、発散レンズのアレイ（負の焦点距離）によって、レンズ構造のアレイをノード面から離して配置することが可能になる。エミッタの発散度がレンズ構造中の所定サイズの発散光学素子と合致する必要がある場合、このような微調整が生じる可能性がある。
（電気光学層）
各ノードが他のすべてのノードからの光信号を同時に受信可能な場合、ｎ個のノードにおける効率的な結合を達成するためには、ブロードキャスト送信モード中の各発信および受信変調光は光学系を必要とする。第１に、光学素子は、各レシーバが照射されるよう各エミッタからの光を十分に拡散するべきである。第２に、全エミッタから各受信ノードに向かう光の混合は、各ノードが各発光ノードからの遠隔光線を受けるよう、別々の光線へと空間的に逆多重化されるべきである。これは、本明細書中に開示される光学的相互接続層によって達成することができる。
処理モードのアレイの相互接続を確立する際の次の段階では、デバイス中の送信を目的として、処理素子から光信号へと送信される電気的信号の変換を考慮するべきである。この段階はまた、適切な光学的構造による光信号の受信、および処理素子によって使用されるために光信号を電気的信号へと戻すよう変換することを考慮する必要がある。
レシーバおよびエミッタ、さらに関連付けられたドライバおよび増幅器は、ノードの電気光学部を含んでいる。これら部品は、プリント基板（ＰＣＢ）またはマルチチップモジュール（ＭＣＭ）基盤上に搭載することができ、このサブモジュールは電気光学（ＥＯ）層と名づけることができる。本明細書中に開示された自由空間、光学的ファンアウト・ブロードキャスト送信相互接続は、電気−光（ＥＯ）変換および光−電気（ＯＥ）変換を実行する電気光学相互接続を含むことができる。光学的相互接続はＥＯ部とＯＥ部を結合する構造であり、その結果システムは、所望された処理ノード（モジュール）間で高速かつ効率的な通信チャネルを確立する特性を有する。エミッタ、レシーバおよび関連付けられた電子機器を含むＥＯ層を図２５Ａ〜２５Ｂに示す。
図２５Ａ〜２５Ｂでは、ノード面２５５０は図２５Ｂに表され、ノードバック２５００は図２５Ａに表されている。ノード面２５５０は、レンズ構造のない状態で表され、図２５Ｂに示される面２５５０の上方にある隔離体上に搭載されるであろう。これらの例示は、図２５Ｂ中のＥＯ層および図２５Ａ中のプロセッサノード２５１０（モジュール）を備えたＭＣＭノードの概念的な例示である。図２５Ｂ中の網掛けされた正方形は、電気的信号を変換して、光信号へと変換したり光信号から変換するために必要な回路を表している。回路はセルデス（シリアライザ−デシリアライザ）素子２５６０を含むことができる。他のモジュール２５７０は、必要なトランスインピーダンス増幅器、複合化回路および任意の必要な局部記憶装置を収容している。４個の白丸は４個のエミッタを表し、それぞれがプロセッサノードとなっている。黒点は受光器を表し、それぞれがシステム中の各エミッタを表している。多重処理システム用の完全に機能的な相互接続もまた、メッセージの経路設定および一時保存のためのロジックおよび局部メモリを含むこととなる。
（単純および複合光ノード）
一般に、１個の光ノードは各プロセッサノードに対し１個のエミッタを有するが、これは必須の制約ではない。というのは、処理ノード（モジュール）も時間的多重化によって発光体を共有してもよいからである。光ノードはまた、単一の処理ノード（モジュール）に属するレシーバのアレイを収容するか、あるいは特定の光ノードに関連付けられた処理ノード（モジュール）のグループ間で共有されている。エミッタとレシーバが同一平面に存在する場合、発せられた光はレンズ構造のアレイを通過した後、集光光学素子へと光を折り返すミラーに到達する。
前記のとおり、本発明におけるノードの好適な実施形態は、４個のエミッタを含んでいる。この場合レシーバアレイは、レシーバから４個の全処理ノード（モジュール）へのローカルな（ノード内の）電気的ファンアウト、および全処理ノード（モジュール）からの各レシーバへの電気的ファンインによって、４個の処理ノード（モジュール）を有効にする。レシーバから処理ノード（モジュール）への信号の電気的多重化におけるローカルなロジックが、特定ノード宛の情報を当該ノードに到達させることによって、該ロジックは多重化スイッチを制御する。
また前記のとおり、多重化４ノード（４個のエミッタ対１個のノード）から構築された相互接続の利点には、システム内のレシーバアレイおよび関連付けられた回路が４分の１であること、所定光度のエミッタに対する所定レシーバにおける光度が４倍であること、およびノードおよび関連つけられたレンズ構造の数が４分の１であることが含まれる。他の利点は、レシーバに対する空間が広いより大きなノードである。このことはまた、（処理ノードの説で論じた）電子部品を処理するためのドーターカードも大きくなりうることを示唆している。欠点はレンズがより大きいことであって、個々の集光レンズの開口数が所定のミラー距離に対して大きくなることを示唆している。
それぞれの光ノードは、ヘッダ複合化回路に加えて、ローカルな多重化回路も収容するべきである。レンズ構造は、１個ではなく４個の発散素子を収容していることにおいて、より複雑である。光ノードあたりの処理ノード（モジュール）の数を４を超えるよう増加させることによって、電気的多重化の問題はより深刻となり、ワイア長もより長くなる。ある時点において、利益の欠点に対する収益逓減が発生する。処理ノード（モジュール）の構成によっては、欠点を増加することなく、多重化４または多重化８の光ノードによく適合する。
（エミッタ）
エミッタは、レーザー、異なる波長のレーザー群、発光ダイオード、プラズマ光源、またはその他変調光を供給可能な他の構造であってもよく、可視光、赤外線または紫外線のいずれでもよい。複合エミッタ（群または群）内の各エミッタまたは光源は、デバイス自体を変調するための駆動（変調）回路、あるいはデバイスから発せられる光を復調可能な外部構造が必要である。
（レシーバ）
レシーバは適切な感度を有する光ダイオードであってもよい。レシーバには、Ｓｉｍｐｓｏｎらによる米国特許第５，９６５，８７３号中の設計によって、または集光マイクロレンズと別々ないしは一体化されてレシーバ上方に配置された波長フィルタによって、特定の波長への感光性を与えることができる。光電子増倍管および光電性チャネルプレートに基づくレシーバもまた、本発明の光検出に対して取ってもよい取り組み方法である。
（レシーバアレイ）
光ノードのレシーバアレイと関連付けられた電子部品（トランスインピーダンス増幅器、制限増幅器、デシリアライザ）は、レシーバに一体的に収容されてもよく、あるいはレシーバおよびエミッタを含む回路基板に個別に結合されてもよい。一体型レシーバアレイまたはレシーバの別個のアレイは、各レシーバ素子への入射光をより多く集めるようマイクロレンズアレイによって覆われてもよい。
（光の変調および復調）
ともにＢｒｉａｎ Ｔ．Ｄｏｎｏｖａｎ等によって２００１年５月１４日に出願された米国特許出願第６０／２９０，９１９号および２００２年５月１３日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ０２／１５１９１（２００２年１１月２１日にＷＯ０２／０９３７５２として発行）号はすべて、サブサイクル精度に厳密に制御された電気パルス幅の生成を開示している。Ｄｏｎｏｖａｎ等の米国特許第６，４４５，３２６号は、パルス幅を測定するにあたってサブサイクル精度を提供するための取り組み方法を開示している。ＤｒｅｓｓおよびＤｏｎｏｖａｎの２００２年６月２０日に出願した米国特許出願第１０／１７５，６２１号および２００３年６月１８日出願のＰＣＴ／ＵＳ０３／１９１７５はともに「パルス幅および／または位置の変調および／または復調」という表題が付けられており、サブサイクル精度を伴う電気的または光学的パルスの変調および復調を開示している。これら変調および復調技術の態様を、変調用のレーザードライバに直接、および復調用のレシーバアレイに適用することによって、１よりも大幅に大きいスペクトル効率を達成することができる。こうして、本明細書中で開示された光学的相互接続の帯域は、現在実施されている光の単純なパルス振幅変調と比較して、４ないし８倍増加させることが可能である。実施形態において活用する変調および復調技術は、より高いデータ転送速度およびより高い雑音排除性の達成に基づいて選択される。
レーザードライバは直接変調されてもよい。または、レーザー、発光ダイオード、プラズマ、あるいは他の光源のいずれであれ光源の後方に位置する、音響光学デバイスに対して変調信号が与えられてもよい。パルス幅復調回路はレシーバアレイと一体化されていてもよく、このことによって電子部品を備えて完結する安価で小型のレシーバアレイを得ることができる。追加的な光変調は、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｍ． Ｂｏｏｋｓらによる米国特許第５，１４６，３５８号に記載のように、音響光学素子の駆動用に変調された無線周波数を使用して、達成することができる。このような変調および付随する復調によって、上述の単純な変調および復調よりも高い信号対雑音比および感度の増加を得ることができる。
（レンズの配置）
光は、ライトキューブ内の光ノードの光源および位置に依存して異なる角度で衝突する。したがって、レシーバアレイの上方にすべて集中したレンズ構造は、エミッタのアレイをノード面の中心に対して異なる位置に撮像する。しかし、製造が簡単であることは、ノード面用の単一の設計が複製され、同一の部品が相互接続システムを構築するために使用されることを示唆している。異なる光ノードが異なる角度で光を受けるという事実とは両立しない製造簡便性上の制約によって課される問題を克服するためには、いくつかの方法がある。異なる受光角の影響は、エミッタアレイの複数の像を含む像平面の光学的歪みとなって現れるため、平面ミラーをノードアレイの中心に位置する球面ミラーで置き換えることによって光学的修正が可能である。しかし、本実施形態において好適な方法は、エミッタのアレイの各像を位置決めして、像がレシーバアレイと完全に位置合わせされ、製造の簡便さを求めて各レシーバアレイをノードの面の中心に配置させることである。このことは、光ノードのレンズ構造の集光光学素子を、ノードのアレイの中心に向かう方向に、およびＥＯアレイの中心と所定光ノードのレシーバアレイ間の距離に比例した量だけ、変換することを要求している。この変換の例が図２６によって表示され、非対称性光学配列と呼ばれる。
図２６には、３×３ノードアレイ用のレンズ構造の配置が描かれている。中央の光ノードに属するレンズ構造は、図２６の中心にある太丸で囲われた十字２６１０によって示されるレシーバアレイの中心に厳密に配置される。その理由は、縦点線の左側から入射し、中央のレンズ構造に当たる光の量が、右からの入射光の量と等しいことから、レンズ構造は全方向から対称的に照射されるからである。他の３つの対称軸のうち２つもまた、図中心を通る点線で示されている。右上角部にあるレンズ構造の位置は太い円で囲まれた十字２６２０によって示されている。この中心はもはや、右上の光ノード正方形中の３６個の小さい円から成るアレイによって表されるレシーバアレイ２６２５の中心には存在しないことに留意されたい。他の２個のレンズ構造のうち一つは中心の右側に、およびもう一つは中心の上方に示されている。印をつけた位置２６３０、２６４０は、右上の中心よりもそれぞれのレシーバアレイにより近いが、それでも図の中心に対して付勢されている。この非対称光学配列が中心以外の光学素子のすべてに適用された結果、エミッタアレイの像はすべてのレシーバアレイと略完全に位置合わせされる。本発明の代替的な実施形態では、レシーバのうち１個またはそれ以上をノードアレイおよび／または光学アレイに対して空間的に付勢して（非対称的に配置して）、レシーバアレイを画定する複数のレシーバに対する光信号の位置合わせ精度を向上させることができる。
（処理層）
本明細書中に開示された光学的相互接続、バックプレーンまたは繊維は、多数の相互通信機能素子または回路モジュールを完全に相互接続する簡単かつ効果的なソルーションを提供する。受信したメッセージまたはデータの演算において、素子の組は同種であっても異種であってもよい。同種の処理素子の例として、同一の演算ノードを多数含むスーパーコンピュータ、または同様に同一の識別、修正、経路設定ノードを含む多数の通信スイッチがある。異種のシステムは、汎用演算モード、ならびに暗号化および復号化等の関数、メッセージトラフィック解析、画像処理、行列反転または多項式展開等数学関数、高次記号処理、およびその他多くの実現性を実行することを目的としている特定目的用のノードの混合物を有してもよい。再構成可能な異種の処理システムであれば、このような特定および汎用目的の処理ノードの混合物は、物理的または論理的に、再配置および再グループ化できるであろう。唯一の要件は、電気光学層中の通信ノードが、処理層と呼ばれる層中の処理ノード（モジュール）へと適切にインタフェース接続されていることである。通信層（光学的相互接続層および電気光学層）はシステム全体の機能の点で一貫しているはずであり、また各処理ノード（モジュール）が通信層に対し一貫したインタフェースを有していることにおいて一貫性を有するはずである。通信を同種的に見ると、処理層は光学的相互接続層を介してＥＯ層と通信する処理ノード（モジュール）のアレイにすぎない。
（処理ノードおよび光ノード）
光ノードの電気光学部は、（レーザー、発行ダイオード等からの）光線を１個または複数のエミッタから拡散し、ミラーまたはスクリーンから反射された光を１個または複数の焦点へと集束する能力のある単一の複合レンズ構造を含むものとして、考えてもよい。各焦点は、同一の光ノードまたは光学系中の別の場所に存在するエミッタからの光信号を検出または受信するレシーバまたは感光検出器を有している。このように、光ノードは、システム中の全エミッタの像をレシーバのより小さなアレイ上に形成する単一の複合レンズ構造、および関連付けられたエミッタおよびレシーバを初めとする関連付けられた電子部品によって画定することができる。レンズ構造は、システム中の各エミッタの像を形成することに加えて、システムの各部が発せられた光（ブロードキャスト送信）の一部を受信するよう、関連付けられたエミッタの光を拡散する（ファンアウト）構造を収容している。
検討中のシステム中にｎ２個のエミッタがあり（なお便宜のみを理由に表記法を変更）、各エミッタが自己のレンズ素子を有している場合、該レンズ素子はｎ２個のエミッタ像のすべてを、レンズ素子の焦点面に配置されたｎ２個のレシーバのアレイ上に集束させることができる。光ノードアレイの内部に存在しない光ノードに対してのみ、レンズ構造はＥＯ層より大きくなってもよい。ノードアレイの端に存在し種々の光ノードによる集光を免れた光は、アレイ外通信に使用することができる。図２７は光ノードのＥＯ層に関連付けられた処理層の一部を例示している。この構成は、光ノードの幾何では固有に決定されないことに留意されたい。より少数のより幅広の処理ドーターボードは、一群のノード全体にわたり、コネクタまたはケーブルのシステムによってノードに接続することができる。
図２７では、光ノード２７００がレンズ構造なしに表されており、図２７の右側の隔離体に取り付けられていると思われる。ＰＣＢバージョンが表され、それぞれが４個のパッケージチップ２７２０（例：プロセッサ、メモリ等）を有する４個の処理モジュールを含んでいる。ＥＯ層が図の右側にあり、黒点のアレイはレシーバ２７３０を、４個の白い楕円はエミッタ２７４０（例：レーザーまたはＬＥＤまたはプラズマ発光器）を表している。
各ノードに合致するよう分割された処理層の別の構成が図２８Ｂに表されており、ドーターボードは、ＭＣＭ技術によって可能になった高密度パッキングによって置き換えられている。この実施形態では、ノードに関連付けられた処理層がＥＯ層の裏側に配置され、一方図２７では、処理層は、ノードのＥＯ層の背面に取り付けられたドーターＰＣＢカード上に装着された４個の処理モジュールを含んでいた。
図２８Ａおよび２８Ｂには、レンズ構造なしにノード２８００が表されており、該ノードは右側に示す面の上方にある隔離体上に装着されるであろう。この図は、図２８Ｂ中の前面２８１０上にあるＥＯ層、および図２７の背面２８２０上にプロセッサノードを備えたＭＣＭノードの概念的な例示である。このバージョンは、この単一のノード中の４個のプロセッサモジュール２８３０を例示している。図２８Ａ中の（パッケージされていないダイを示す）網掛けされた長方形は４個のプロセッサを表し、それぞれが複数の処理素子を収容していてもよい。メモリ２８４０は網掛けされた小さな正方形によって表されている。図２８Ｂ中の網掛けされた正方形は、光信号へとおよび光信号からの変換のための電気信号の変換に必要な回路２８５０、すなわちセルデス（シリアライザ−デシアライザ）素子、および必要なトランスインピーダンス増幅器、復号回路およびローカル保存装置を表している。４個の白丸は４個のエミッタ２８７０を表し、１個がそれぞれのプロセッサノードを有効にしている。黒点は受光器２８７０を表し、システム中の各エミッタあたり１個ある。
（完全な光学的相互接続）
マルチ処理システムは、電気的または光学的相互接続のいずれか、もしくはその２つの組み合わせによって接続された多数の個々のプロセッサを含めるよう定義することができる。追加的な連結が、プロセッサをローカルのおよび／または遠隔地のメモリへと接続する。１個のチップまたはダイ上には、１個またはそれ以上のプロセッサが存在することができる。
プロセッサチップ群は、電源、ランダムアクセスメモリおよびその他の形態の記憶装置、メモリ制御回路とともに、上述のプロセッサノード（モジュール）を形成する。パッケージ化されたチップを含むプロセッサノードは、一般には、コネクタを直接介するかケーブルを介してＥＯ層に取り付けられた分離したＰＣＢ上に存在している。プロセッサが、パッケージ化されたチップよりもずっと小さくしかも高密度に組み付けられたベアダイ上にある場合、プロセッサノードはＥＯ層の裏側に配置することができ、ノードの容積は大幅に低減される。ノードの概念は、高性能コンピュータまたはスーパーコンピュータのコンポーネントとして動作する複数の汎用演算ノード、ならびに複数の特定目的用切り換えまたは経路設定ノードを収容するものとして考えることができる。さらに、メッセージ検査ノード、暗号化および複合化ノード、数学関数用の処理ノード等他の特定目的用デバイスも存在する。これら機能の組み合わせは、適用上の要件に依存するが、任意の特定用途によって必要とされる様々な機能的処理ノード（モジュール）を備えた種々のノードを装着することによって達成可能である。
（電気光学、光学的相互接続キューブ）
正方形のアレイ中に配置されたノードの一群を（関連付けられたレンズ構造とともに）および処理ノード（モジュール）に取り付けまたは遠隔配置されたサポートは、演算クラスタまたは演算アレイを形成する。レンズ構造の面の上方に配置されたミラーまたはスクリーンが、システム中の各ノードから他のノードに向けて発せられた光を結合する。ミラーまたはスクリーン層、レンズ構造のアレイ、ＥＯ層および処理ノード（モジュール）を含むアセンブリ全体は光キューブと呼ばれる。その理由は、完全なシステムの形状は略立方体形状であり、ミラーの寸法がＥＯサブモジュールのアレイの寸法に類似しており、ＥＯ層からのミラーはＥＯサブモジュールのアレイの辺の長さに近いからである。
個々のレンズ構造は各ノード上に搭載されてもよく、あるいはレンズ構造のアレイはノードの平面アレイの上方または向こう側に同様に搭載されていてもよい。光キューブの電気光学的および光学的相互接続部を図２９に示す。
図２９では、光キューブ２９００が、各光ノードが４個のプロセッサノード（モジュール）を収容するノード２９１０の３×３アレイ上に表されている。光キューブは３層を含むことができる。左側には、９個のノード２９１０のＥＯ層２９２０が存在する。エミッタおよびレシーバのみが示されている。ＰＣＢバージョンでは、ＥＯ層の背面に取り付けられた（図２９には示されない）回路基板はさらに左側に延出している。ＭＣＭバージョンでは、図２８Ａおよび図２８Ｂに例示するように信号処理回路を前側に搭載した状態で、処理ノードはＥＯ層の背面に直接搭載されるであろう。次の層は、ＥＯ層よりわずか右側に存在しており、９個のレンズ構造２９３０のアレイを表す。各レンズ構造は、全体的な画像形成幾何と一貫したファンアウトを達成するために、４個の発散素子を含むことができる。これら光学素子は、各レンズ構造中の４個の小さい楕円形、すなわち全体で３６個の楕円形として示されており、この数はＥＯ層中におけるエミッタの数と合致する。各レンズ構造もまた、９個の網掛けされた楕円で示された大きい集光・集束光学素子を含んでいる。右側に示すミラー２９４０は、第３層を備えている。この構成では、３層はすべて平行な面に存在し、各面間の距離は、最も左側の層と右側のミラーとの間の距離、受信アレイ中のレシーバの間隔、および使用される集束光学素子の種類によって制約を受ける。光キューブは、ＥＯ層の左側に取り付けられた処理ノード（モジュール）を有していてもよく、この場合システムはＦＳＯＩによって相互接続された多重処理システムである。処理ノード（モジュール）が、遠隔通信または遠隔処理素子へのコネクタに置き換えられる場合、光キューブは電気光学的スイッチおよび／または完全なブロードキャスト送信能力を有するルータとして動作する。
（ミラーの位置合わせ）
幾何学的には、アレイの１つの角にあるエミッタから他の角にあるレシーバに発せられる中央光を考慮することによって、ミラーに関する角公差は、アレイの対角線によって分けられるレシーバ間隔にほぼ等しい。実用において、集光光学素子はこの制約の重大性を大幅に低減する。ミラーの位置合わせに対する公差は、エミッタアレイの像をはるかに小さなレシーバアレイのサイズへと低減する該光学素子と同じ因子だけ低減される。この公差の増加は、２個の共役焦点距離の比率、より正確にはレシーバパターンの大きさのエミッタパターンの大きさに対する比率によっても与えられる。辺ｓのノードタイルの場合、レシーバパターンは一辺約ｓ／２の正方形に適合する。エミッタは、一辺（２ｎ−１）ｓ／２の正方形に適合する。レンズ構造は、大きな正方形を小さな正方形に結像するため、角公差はレンズの通っていない中心線と比べて２ｎ−１だけ増加する。
（ミラー角上のフィードバック制御）
レシーバアレイが約３０ｍｍでありエミッタの間隔が５０ｍｍである、図２９によって表される一般的なシステムにおいて、この比率は１／５でありミラー角に対する公差を１／２０度から約１／４度へと緩和した。エミッタ像のレシーバアレイ上のサイズの低減度合もまた増加するはずであるから、絶対的なミラー公差はアレイの大きさが増加しても略一定である。所定の状況では、ミラー配列に対する能動的制御が必要となるかもしれない。能動的制御は、電気機械的位置固定装置を介してミラー角を調整し、ミラー自体からレシーバ面中のＣＣＤアレイ上に反射される、１個または複数の専用レーザーからの制御信号を導き出すことによって達成することが可能である。このような、小さい画素の光電アレイ上に衝突するナロービームの配列からエラー信号を導き出す方法は既知である。
ＥＯアレイの１角に搭載されたナロービームレーザーおよび反対側の角にあるＣＣＤアレイを検討していただきたい。誤差信号はＣＣＤアレイの公称中心からの画素の逸脱のｘ−ｙベクタである。テーブルまたは単純アルゴリズムを収容するマイクロプロセッサはｘ−ｙ位置の誤差を３個の差動駆動信号へと変換し、各信号はミラーを指示する４個のうち３個の角部の取り付け部上に配置された電気機械的位置決め装置のそれぞれへと送信される。信号は位置決め装置へと与えられると、誤差信号が減少する。正確なミラー配列が達成されると、誤差信号は消え、ミラーを所望の位置に残したままとする。万が一温度または振動によって機械的な寸法に変更があった場合は、誤差信号は再度表れ、ミラーが再配置される。
（レシーバレンズアレイ）
レシーバの上方にレンズ、例えばレシーバアレイに適合する小さい小型レンズアレイを直接取り付けることによって、光学的位置合わせの重要性は低下する。この場合、主要な集束光学素子は、この追加的なレンズの光学的作用を考慮に入れることによって設計できるであろう。この結果光学系は、より多くの光を、各レシーバの活性領域に位置合わせされたより小さなスポットへと集束させる。
レンズ構造によって集光された光を事前に増幅するために光増幅器を各レシーバの上方に配置することができる。このように、本発明は、たとえ発せられる光が非常に弱くレシーバ素子を直接励起できなくても機能することができる。
（代替的な実施形態）
ノードのアレイは、正方形以外の配列中に構成してもよい。例えば、ノードの線形アレイは、光を最適に使用しないが、一部の適用にとってはより適切な構成であるかもしれない。例えば、２×４構成中の５０×５０ｍｍアレイは、サイズが１００ｍｍ×２００ｍｍ×おそらく３００ｍｍであろう。これはフラットパッケージとしての携帯性の面で便利であろう。
本発明は、光ノードの所定の構成中で光を最適に使用するために設計された光学素子を含むことができる。例えばエミッタの光出力は、特定目的用の光学装置を使用することによって正方形または長方形領域へと限定することができる。このような特定目的用の光学装置には、プリズム、円錐形レンズ、回折素子、バイナリ光学素子およびホログラフィック素子が含まれる。
本発明は、エミッタがＥＯ層から取り除かれミラー位置の向こう側に配置された（すなわち、少なくともミラーの一部が取り除かれた）、非折り畳み型の光学装置とともに構成することができる。次に２つのＥＯ層は、ミラーなしに光キューブアセンブリを横切って通信することができる。全ミラーが除去されても、個々のＥＯ層はローカルレベルでは、内部でかつ電気的に通信を続けることができる。
本発明は、エミッタ面内に存在しないレシーバと通信を行うために、光を異なる領域、角度および方向に再び導くミラーの使用を含んでいてもよい。すなわち、ノードの構成は平面内に埋め込まれる以外の形態で配列することができる。
本発明は、平面ミラーの代わりに、コーナー反射器またはコーナーミラーを使用することを含んでもよい。この概念は、４個を超えるコーナーを有するより複雑な幾何形状に拡張することができる。本発明は、光キューブ空間の複数使用を可能にするダイクロイックミラーの使用を含んでいてもよい。例えば、６枚のＥＯ層は同一の体積に接続することができ、各層は自己の関連付けられた色を反射する関連付けられたダイクロイックミラーを有している。続いて、各光キューブからの光は同一の体積を占有するが、一方異なる色によって種々の光キューブが独立に動作することができる。３個の光キューブは、ダイクロイックフィルタなしに、同一の光量を使用することもできる。
本発明は、同時かつノンブロッキングな情報のブロードキャスト送信を含むことができる。大部分の相互接続のスキームは、光学的であれ電気的であれ、メッセージおよび情報のブロードキャスト送信を行うことができる。しかし本発明は、ブロードキャスト送信技術の固有の性質および本明細書中で開示された構造を理由に、同一の物理メッセージがシステム全体に同時に配信されるという点において、システム内の全ノードに対して同時に発生するブロードキャスト送信を含むことができる。また、システム中の全ノードに対してブロードキャスト送信されているメッセージが、異なるノードから送信中の他のメッセージを、所定のノードがブロードキャスト送信を行っている時と同時にブロックしないという点において、本明細書中に開示されたブロードキャスト送信のバージョンはノンブロッキングであることが重要である。
本発明は、レシーバクランプ（クラスタ）におけるエミッタのサイトおよびフィルタに波長分割多重化（ＷＤＭ）を含むことができる。単一のレーザーではなく、異なる波長の複数のレーザー（不均一レーザー、モノリシックレーザーアレイ）をエミッタ位置で使用することができる。レンズ構造はレシーバアレイ上のエミッタアレイの像を小さくするので、各レシーバはレシーバアレイとなり、１個のエミッタアレイからの複数の波長がレシーバアレイに集束する。このローカルな群中のレシーバ間の間隔は、対応するエミッタのレーザーアレイの光学的に減少した間隔よりも大きくてもよい。例えば、エミッタ（レーザーのアレイ）間隔が４０ｍｍであるシステム中の、２４０μｍ間隔を有するレーザーアレイはレシーバのグループ間（像のサイズが４０対１に減少）間隔がおそらく１ｍｍである対応するレシーバを有しているであろう。この間隔の比率が、あるエミッタ群中のレーザーに対応するローカル群中のレシーバ間でも維持されるとすると、２４０μｍの間隔を４０で割った約６μｍが必要とされるであろう。この小さい間隔は、光学的および電気的回路の立場からみて非実用的であるかもしれない。それに対する解決法は、レーザーの所定のエミッタアレイに対応するレシーバを物理的および電気的に合理的な距離で（例：約２μｍから約２ｍｍ）間隔を置くこと、および次に、対応するエミッタからの光を集束させてレシーバの光より大きな束を照射することである。各レシーバは、レーザーのエミッタアレイ中の特定のレーザーの波長に合致するダイクロイックフィルタを有していてもよい。この結果、小さい領域中で動作する異なる波長のレーザーのアレイは、レシーバのアレイと１対１の態様で通信することができる。本発明の代替的な実施形態は、回折素子（格子）または分散素子（プリズム）を使用することによって、レーザーのエミッタアレイからの種々の波長を適切なレシーバへと、導くことができる。
本発明は、回折レンズおよびバイナリレンズの使用を含んでいてもよい。光から像を形成すること、発散光を集光すること、または光を発散することのすべての技術は、本発明とともに使用してもよい。たとえば、本発明は屈折光学素子（一般的に使用されるレンズ）、等級付けられた屈折指標を有するレンズ（いわゆるグリンレンズ）、バイナリ光学素子およびホログラム等の回折光学素子、光ファネル、円錐プリズム、および集光ミラーの使用を含んでいてもよい。
（エミッタの種類：プラズマ、レーザー、発光ダイオード）
光源は直接的または間接に変調することができる限り、エミッタ用に全光源を使用してもよい。レーザーの場合直接変調は、レーザー空洞または他の固有特性が適切な回路によって電気的に変調されることと定義される。非間接変調は、エミッタから発せられる光がファンアウトして受光素子に到達する前に変調できるよう、発光素子に接続された（例：上方に置かれる）電気光学的吸収剤または音響光変調器等の外部変調装置と定義される。
本発明は、フォールドバック型光学素子中における特定目的用の素子の使用を含んでいてもよい。具体的には、本発明は、エミッタ出力を形成し拡張するために、プリズム、発散レンズ、または屈折光学素子を使用することができ、その結果、素子は、集光レンズアレイの端部からの光の漏れがほとんどあるいは全くない状態で、できる限り均一に集光レンズアレイを照射する。
本発明は、ブロードキャスト送信中のフォールドバック型光学素子をスピルオーバーモードへと拡張することを含んでいてもよい。
具体的には、本発明は、１個または複数の光ノードから十分な光が、集光レンズアレイを通って反射されるよう、フォールドバック型光学素子を含むことができる。発光する光キューブによって制御または集束されていない任意の光は、端部から端部まで別の光キューブまたはＩ／Ｏデバイスまたは他の処理素子等の他のデバイスと通信するために使用することができる。
本発明は波面補正を含むことができる。高いデータ速度で通信する場合、レンズの端部または角に到達する光が、光がレンズ中心を通過する際と同じ時間間隔内に意図されたレシーバに到達するよう、波面補正を行うべきである。これら幾何学的距離が異なると、波面の到達時間も異なってくる。短い期間の信号によって、信号よりも長い時間をかけて信号の形状を広げることができるであろう。このように、１個の信号パルスは他の信号パルスと混同される可能性もある。このような状態は、大きなレンズまたは短い信号パルスを備えたシステムに対して発生しうる。
本発明は、レンズ構造中に各集束レンズの上方または可能に円錐屈折素子を配置することを含めることによって、時間的波面補正を達成することができる。光は、屈折指数が１より大きい材料中では、空気（屈折指数が１よりわずかに大きい）中よりも、ゆっくりと移動する。一般的な透明な材料（グラス、プラスティック）は屈折指数１．３から１．９を有する。これら材料はすべて、中心部が端よりも厚い円錐形状へと形成することができるため、レンズの中心を通る光がレンズの端を通る光よりも、より多くの光学材料を通過するようにし、レンズの端を通過する光によって保証されるよりも、より長い幾何学的距離を補正することができる。このような円錐素子は、レンズ構造の焦点特性に影響を及ぼし、レンズ構造の設計位相中において考慮するべきである。
レンズ開口部のサイズが大きくなるにつれ、光波面の時間的分散が大きくなるにつれ、このような時間的分散を補正する他の方法は集光光学素子の開口部を制限することである。エミッタ出力が補正的に増加すると、レシーバにおける光度の損失を伴う。本発明は、中心部が外側部分よりも屈折指数を有する光学的に段階を付けられた材料からなる平板を使用することによっても、同一の効果を達成することができる。屈折指数の段階付けは、波面の到着における時差に対して正確に補正するよう連続的に行うことも可能である。レンズ構造は勾配を伴う材料から作成されてもよく、設計工程は検討すべき２つの制御パラメータを有するであろう。レンズの焦点特性のほかに、波面特性は設計工程中に検討するべきである。
本発明は、波面中に含まれる情報のブロードキャスト送信または波面自体のブロードキャスト送信を含むことができる。波面とは、波の特性における測定可能な物理的変化のことである。波とは、波動方程式によって記述可能な物理現象である。その例は、音波（バルクおよび表面両方）および電磁波（無線周波数波および光）である。測定可能な物理変化は、振幅、強度、分極、位相および波長周波数において発生してもよい。これら特性はいずれも、適切な変調技術によって情報を搬送するために使用されてもよい。
（発明の利点）
本発明は、スーパーコンピューティングの文脈において利点を提供する。処理ノード間の通信は、スーパーコンピューティングに見受けられる中心的な障害の一つである。本明細書中に開示された方法は、光を有するシステム中において、システム中の全ノードを相互接続することによるプロセッサ間の通信に関連するレイテンシーの問題を克服する。結果生じる相互接続は、既存のクロスバーおよびファットツリー法よりも小さく、より高速である。さらに、この発明によって効率的なブロードキャスト送信モデルは、現在のようにシミュレートするのではなく、直接実行することができる。
本発明は、切り換えおよび経路設定の文脈において利点を提供している。システム中の任意のノードは、光スイッチとして構成されており、他のすべてのノードに情報をブロードキャスト送信することができる。各情報パケットが関連する経路設定ヘッダを有している場合、該ヘッダを認識した１個または複数の任意のノードは、情報パケットを受領し、光スイッチから適切な宛先へと送信することができる。
本発明は、連想記憶の文脈において利点を提供する。最も簡単な言い方をすれば、連想記憶とは所定の項目の存在の有無に関してクエリーを提示する方法である。対象となっている項目のコードは、システムの全部分へのブロードキャスト送信である。これら部分は平行に検索され、正の応答はすべてクエリーノードに報告される。この効果が連想記憶の効果である。このような連想記憶は非常に大きくなることもあり、各処理ノード（モジュール）でのハッシュテーブルを使用することによって分配される。このようなハッシュテーブルは、ディスクドライブまたはインターネットリソース等、遠隔メモリ記憶に対する参照を含んでいる。
本発明はソートおよびマージの文脈における利点を提供する。このブロードキャスト送信能力によって、マルチプロセッサシステムは現在使用されている相互接続方法よりもより効率的にソーティングアルゴリズムを実行することができる。ソートされるテーブルまたはリストはｎ個の小片へと分けられ、各片は処理ノードのうちの１個に送られ、そこで標準ソーティングアルゴリズムを使用して分けられる。マージ位相の調整が終了すると、各処理ノード（モジュール）は信号を送る。次に各処理ノード（モジュール）は秩序だった態様で素子ごとにテーブルをマージングノードに送信し、マージングノードで結果は並び替えられた順序で最終テーブル中に配置される。マージングノードでは、各部分ソーティングノード（モジュール）から受領したレンジ情報に基づいて、比較を行って全体の順序を得る。
本発明は、通信処理の文脈において利点を提供する。通信処理において、光路は通信ストリームを送信するためのみに使用され、一方他のｎ２−２個の経路はデータストリームを独立したプロセッサ上の複数の工程へと分割する。各工程は、主要通信経路に影響を及ぼしたり干渉をすることなしに異なるパターンまたは条件を検索する可能性もある。本発明は通信処理において利点を提供する。ここでは前進型誤信号訂正が通信ストリーム上で効果的かつ効率的に、正しい順序でかつ迅速に行うことができる。本発明は通信処理において利点を提供する。ここでは、音声メッセージを表す個別データパケットが抽出された音声へと複合化され、このような抽出された、干渉を受けていないシステムを介した経路は原メッセージを搬送し続けるものの、音声はスピーカーまたは音声認識等のさらなる処理を受ける。
本発明は画像処理の文脈において利点を提供する。ここでは像の各部が特定の種類のフィルタリング動作のために別のプロセッサに送信され、これらすべてのフィルタリング動作は平行して発生する。次に最終的な画像は、システム中の単一のノードに再組み付けされる。本発明は信号または画像のパターン認識の文脈において利点を提供し、ここでは所定のパターン種類の確率が所望されている。ｎ個のプロセッサのそれぞれは、信号または画像を平行に検査することができ、各検査は特定のパターンに関する仮説の試験を本質的に行っている。各工程の結果は、現存する特定のパターンの確率である。ベイズ法における結果を組み合わせることによって、最も確率の高いパターンを、検索されているパターンの母数内での絶対確率とともに提供する。
本発明はデータベース検索の文脈において利点を提供する。ここでは、各プロセッサは異なるデータベースまたはある特定のデータベースの異なる部分にアクセスする。ブロードキャスト送信法のような光接続されたｎ個のノードを有する機器によって、検索を平行に進行させ、利用可能な数のプロセッサによるデータベース検索を効果的に加速させる。
本発明はパターン認識の文脈において利点を提供する。ここでは、撮像装置からの画素情報のランダムグルーピング等センサのサブセットからのデータが、ブロードキャスト送信によって特定の部分画像処理装置へと送信される。次に、画像処理ノード（モジュール）の組み全体が、特定のパターン片を平行に特定することができる。次に、個別のパターン素子が所定のパターンに属するものとして認識される。結果は、調整素子中で組みつけられ、最も確率の高いパターンが表示された画像とともに特定される。Ｅａｓｔｅｒｎ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅの１９５９年会報中のＷ．Ｗ．ＢｌｅｄｓｏｅおよびＩ．Ｂｒｏｗｎｉｎｇの「機械によるパターン認識および読み取り」は、本明細書中に開示されているブロードキャスト送信法によって得られるある特定のパターン認知の例を示している。
より一般的には、典型的には光学的または電気的のいずれかである（クロスバー、ファンアウトを伴う電気多重化等）通常の相互接続法において、ブロードキャスト送信は、複雑さを増すことによって達成されるか、または単にプロセッサでメッセージを中継するか相互接続ハードウェアのレベル間で直列に中継する以外の方法では試みられない。光学的ファンアウトは、安価であり達成が簡単である。逆に電気的ファンアウトは、遅く、高価で、達成が困難であり、メッセージ経路におけるレイテンシーおよび遅延を導入している。光学的ブロードキャスト送信法は光学的なファンアウトを使用し、それによって光エネルギーは各光学エミッタからシステムの全経路へと到達することができる。ブロードキャスト送信に光を使用することの追加的な特徴は、種々のエミッタからの光がファンアウトが発生している自由空間領域中で干渉しないことである。すなわち、複数の光チャネルが同一の物理空間を占めることができる。バックプレーン内での光通信のブロードキャスト送信モデルによって、通常の単一命令複数データ（ＳＩＭＤ）操作とともに、効率的な複数命令複数のデータ（ＭＭＤ）操作が可能である。ブロードキャスト送信によって、平行データベース検索が可能になる。これは、クエリーを分散型データベースへとブロードキャスト送信することによって達成することができる。ここでは、データベースの各部がシステムの処理ノード（モジュール）へと接続されている。
バックプレーン内の光通信のブロードキャスト送信モデルによって、非同期動作およびデータフローアーキテクチャを可能にする。同期化は、グローバルシステムのステータスに関する短いメッセージをブロードキャスト送信し、ローカルプロセッサまたは群のステータスを報告することによって、達成および維持される。データフロー演算は、このような短いブロードキャスト送信メッセージによって簡単に調整することができる。バックプレーン内の光通信のブロードキャスト送信モデルによって、粗粒度および細粒度の問題を同時に動作させることができる。この場合、宛先をノード群に割り当てることもでき、これらノードは近傍に制限させることはない。動的な「ローカル」グループは、「ローカル」が純粋に論理的な意味を有し、物理的な類似性によって制約をうけない場合に、形成してもよい。
バックプレーン内の光通信のブロードキャスト送信モデルによって、高処理量のトランザクション処理が可能になる。例えば、大きい光キューブアレイ中の各処理ノード（モジュール）がいくつかのトランザクション基地局と通信できるようにすることによって、光キューブは大量の分散型およびローカルトランザクションを取り扱うことができる。トランズアクションと中央データ集積所との間の調整は、トランズアクションが発生する際に必要な情報を調整プロセッサにブロードキャスト送信することによって達成することができる。
バックプレーン内の光通信のブロードキャスト送信モデルによって、効率的なセマフォの使用および管理が可能となる。セマフォは、所定の状況において阻止しおよび他へのアクセスをみとめることによって、演算リソースを制御するよう使用することができる。セマフォ管理は、ブロードキャスト送信モデルにおいては効率的かつ実用的である。
バックプレーン内の光通信のブロードキャスト送信モデルによって、単一のシステムで複数仮説の試験が可能になる（例：ベイズ並行処理）。ベイズ仮説の結合、およびベイズ信号処理の特定の適用は、すべての種類のデータを取り扱うにあたって最も一貫性のある技術である。多くの人によって好まれているが、これら演算的に集約的な活動は多くの場合より拘束であるが正確性の低い方法によって近似される。データを複数の仮説試験ノードにブロードキャスト送信することを可能にする並行処理システムによって、より正確なベイズ方法がより広い適用を見出すことができる。
バックプレーン内の光通信のブロードキャスト送信モデルによって、分散型メモリアクセスを可能にすることができる。低レイテンシーのメッセージブロードキャスト送信モデルの重要な利点は、分散型メモリシステムにおける向上したメモリアクセスである。例えば、キャッシュコホートの均一なメモリーモデルにおいて、新しいノードの追加は問題とはならないであろう。なぜなら、新しいノードはその存在を簡単に通知し、新しいノードへの言及はすべてに対する参照ブロードキャスト送信の言及であるからである。本発明は拡張可能であり、費用効率が高い。本発明は、本質的に耐誤配列性を有し、フィードバックリカバリシステムは必要ない。本発明は、効率的な光通信、および／または特に電話交換局環境におけるコアスイッチ、テラビットルータおよび相互接続装置内での演算を促進する。
（発明の実用化）
本発明によって提供される通信用電源は多くの実用的な用途があり、これら用途は科学技術における価値が大きい。本発明によって達成される主要な結果は、処理ノード（モジュール）の組全体に対する固有の情報ブロードキャスト送信である。演算またはデータ処理技術としてのブロードキャスト送信によって、複数の受信ノードが、同時にかつ中継ステップに介入したり遅延させたりする必要性なしに、調整情報を入手することができ、またデータを平行に処理することができる。ブロードキャスト送信の実用的な用途は、同期的な演算処理、システム制御情報の効率的な通信、セマフォの効率的な管理（例：グローバルメモリ記憶装置からのローカルキャッシュメモリの同時更新）、システム全体分散型メモリがシステム内に全処理ノード（モジュール）が均一に入手可能なフラットメモリモデルの実装、パケット情報の複数のレシーバへの非同期的経路設定、複数のレシーバへのビデオ情報の配信、１個のクエリーが複数のデータベースに送られるか、大きなデータベースの一部に配信されるデータベーストランズアクション処理、およびパターンが、それぞれ画像の小部分を平行に検査する複数のプロセッサへとブロードキャスト送信され、マッチング情報が各部分的パターンプロセッサから中央情報プロセッサへとブロードキャスト送信されるパターンマッチングが含まれる。情報の処理に加えて、ブロードキャスト送信は、システム内のローカルなものであれ、相互接続から遠くにありイーサネット（登録商標）、インターネットまたはその他ネットワークおよび通信チャネルによって接続されるものであれ、種々の受信基地局に送信中の情報を効率的かつ効果的に制御するために使用することができる。
本発明によって提供される大きな演算能力は多くの実用的な用途があり、これら用途は科学技術における価値が大きい。本発明は物理プロセスシミュレーションおよび物理的プロセスに有用である。本発明は情報の切り換えおよび経路設定に有用である本発明は大規模データベースの管理に有用である。本発明はパターンマッチングおよび照合に有用である。本発明はデータ解析および削減に有用である。本発明は画像処理およびレンダリングに有用である。
本発明の実用的な適用は：核保有料の検証、大規模データベースの検索および照合、薬剤設計、生物学的シミュレーションおよびモデリング、天候のシミュレーションおよびモデリング、物理学および天文学のシミュレーションおよびモデリング、化学の設計、機器工学構造的モデリングおよび設計（例：建造物、車両衝突試験等）、地球シミュレーションおよびモデリング、大規模な（例：音声、顔、生命徴候、バイオパターン等）および正確かつ大規模な音声認証および発話再生のバイオメトリクス、経済学および社会政治学のシミュレーションおよびモデリング、自動データベース作成・管理・統合・検索、および宇宙船または衛星の機内データ処理がある。切り換え、経路設定、レンダリングにおける本発明のいくつかの用途は、自動通信および例えば全通信を集め、並び替え、分類し、照合し、普及させるデータ経路設定センター、情報管理および切り換え（例：大陸規模のデータルータまたはその他（潜在的には安価かつ冗長な）大陸規模の分散型システム）、大量の聴衆に対するピンポイントのビデオ（例：教育、娯楽等）、集積、保存、配信システム、リアルタイムの映画作成（例：動画、レンダリング、デジタル画像等）および多人数でのビデオゲームサーバーである。本発明には実質的に無数の用途があるが、そのすべてを本明細書中に詳述する必要はない。
本明細書中に使用される術語ａまたはａｎは、１個または１個より多いことと定義される。本明細書中に使用される複数は、２個または２個より多いことと定義される。本明細書中に使用される術語「備えている（備える）」「含んでいる（含む）」および／または「有している（有する）」は、オープンランゲージ（すなわち、その語以降に引用される語が必要であるが、特定されていない（単数または複数の）手順、（単数または複数の）構造およびまたは（単数または複数の）材料は大量であっても包含が可能である。句「から成る」および／または「から構成される」は、引用された方法、装置または組成を、通常関連付けられる付属物、添加物および／または不純物を除いて、引用された以外の（単数または複数の）手順、（単数または複数の）構造およびまたは（単数または複数の）材料の包含を締め出している。「本質的に」を「から成る」または「から構成される」とともに引用することによって、該組成の基本的な新規特性に重要な影響を及ぼさない特定されていない（単数または複数の）手順、（単数または複数の）構造およびまたは（単数または複数の）材料のみを包含が可能となる。本明細書で使用される術語「連結される」は接続されると定義されるが、必ずしも直接、および必ずしも機械的である必要はない。本命最初で使用される術語、「約」は少なくとも所定値に近いこと（例：好適には１０％以内、より好適には１％以内、さらに好適には０．１％以内）と定義される。本明細書中で使用される術語、「略」はほとんど特定されているものであるが必ずしも完全にそうである必要のないものとして定義される。本明細書中で使用される術語、「概ね」は少なくとも所定の状態に近づきつつあることとして定義されている。本明細書中で使用される術語、「採用する」は、設計する、構築する、出荷する、搭載するおよび／または動作するとして定義されている。本明細書中で使用される術語、「手段」は、結果を得るためのハードウェア、ファームウェアおよび／またはソフトウェアとして定義されている。本明細書中で使用される術語「プログラム」または句「コンピュータプログラム」は、コンピュータシステム上で実行するよう設計された命令のシーケンスとして定義されている。プログラムまたはコンピュータプログラムは、サブルーチン、関数、手順、オブジェクト方法、オブジェクト実装、実行可能なアプリケーション、アプレット、サーブレット、ソースコード、オブジェクトコード、共有ライブラリ／ダイナミックロードライブラリ、および／またはコンピュータまたはコンピュータシステム上で実行するよう設計された命令のシーケンスを含んでもよい。
本明細書で開示された発明のすべての開示された実施形態は、開示の観点から必要以上の実験なしに、実行および使用することができる。本発明は本明細書中に引用される理論的な記述に限定されない。発明者（ら）によって意図された本発明を実行するための最良の態様が開示されているが、本発明の実施はそれに限定されない。したがって、本発明は本明細書中に具体的に記載されたもの以外によって実施してもよいことが当業者にとって理解されるであろう。
本発明の特徴の種々の置換、変更、追加および／または再配置を、基礎をなす発明的概念の精神および／または範囲から逸脱することなく行ってもよいことは自明であろう。添付の請求項およびその等価物によって定義される基礎をなす発明的概念の精神および／または範囲が、これらすべての置換、変更、追加および／または再配置を包含しているとみなされる。
開示された各実施形態の開示された要素および特徴のすべては、これら要素および特徴が互いに排他的である場合を除き、他の開示された各実施形態の開示された要素および特徴と組み合わせても、または代用としてもよい。本明細書に記載する方法を構成するステップまたはステップの順序において、変形を行ってもよい。
本明細書に記述する光学的相互接続は別々のモジュールであってもよいが、該光学的相互接続が関連するシステムへと一体化されてもよいことは自明であろう。例えば、光バックプレーンがコンピュータまたはネットワークの一部であってもよい。個々のコンポーネントは、開示された形状に形成されたり、または開示された構成中に組み合わせる必要はなく、事実上任意の形状中に提供することができ、および／または事実上すべての構成中に組み合わせることができるであろう。
添付の請求項は、所定の請求項において句「〜する手段」および／または「〜する工程」を使用して限定が明示的に引用されていない限り、ミーンズプラスファンクションの限定を含むものとして解釈されないものとする。本発明の亜属的な実施形態は、添付の独立請求項およびその等価物によって方向付けられる。本発明の具体的な実施形態は、添付の従属項およびその等価物によって識別される。
図１は、本発明の実施形態を表す、ミラーおよびレンズアレイを備えるサブアセンブリの概略斜視図である。 図２Ａおよび２Ｂは、発散レンズを備えた（図２Ａ）ミラーおよび備えていない（図２Ｂ）ミラーに面するウエハーへの、エミッタからの光線を示す概略斜視図である。 図３は、エミッタから非折り畳み型のウエハー−ミラー−レンズアレイのアセンブリを通る光線の概略断面図であり、本発明の実施形態を表している。 図４は、集束レンズアレイおよび発散レンズアレイを備えた複合レンズアレイアセンブリの概略正面図である。 図５は図４に示す複合レンズアセンブリの概略斜視図であり、本発明の実施形態を表している。 図６は、集束レンズと該集束レンズと同軸的に配置された発散素子を含む代替的な復号光学素子の概略正面図であり、本発明の実施形態を表している。 図７Ａは、熱交換器、送電網、回路ウエハー、レンズアレイおよびミラーを含む封入された光学的相互接続アセンブリの概略斜視図であり、本発明の実施形態を表している。図７Ｂ〜７Ｃは、図７Ａに示す封入された光学的相互接続アセンブリの概略的な側面（図７Ｂ）および正面（図７Ｃ）図であり、本発明の実施形態を表す。 図８は、それぞれが４個の光信号ソース（エミッタ）を含む複数のコンピュータノードを含む回路ウエハーの概略正面図を示し、本発明の実施形態を表す。 図９Ａおよび９Ｂは、４個の光信号ソースを含む個々のコンピュータノードの概略的な側面（図９Ａ）および正面（図９Ｂ）図であり、本発明の実施形態を表す。 図１０は、給電バスバーアセンブリの概略斜視図であり、本発明の実施形態を表す。 図１１は、光バッフルアセンブリの２個の略直交コンポーネントの概略斜視図であり、本発明の実施形態を表す。 図１２は。ウエハー構成中に配置された複数の個々のコンピュータノードに結合された光バッフルアセンブリの概略斜視図であり、本発明の実施形態を表す。 図１３は、光リンクを介してインタフェースアレイに結合された部分透過ミラーを有する光コンピュータアセンブリを含むシステムの概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図１４は、インタフェースアレイサブアセンブリの概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図１５Ａ〜１５Ｃは、３個の光コンピュータメタアセンブリの概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図１６は、４個の光コンピュータを含むシストリック光コンピュータメタアセンブリの概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図１７は、光信号エミッタからの発散レンズを介したファンアウト（ブロードキャスト送信）の概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図１８は、複数の集束レンズを介したファンアウトからの集束の概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図１９は、複数の集束レンズを介した多数のファンアウトからの集束の概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図２０Ａおよび２０Ｂは、５×５相互接続アレイの一部としてのモジュールの配置のために構成された検出器アレイを有する、単一のエミッタモジュールの概略正面図であり、本発明の実施形態を表す。 図２１Ａ〜２１Ｃは、１個のエミッタモジュール（図２１Ａ）、４個のエミッタモジュール（図２１Ｂ）および８個のエミッタモジュール（図２１Ｃ）を示し、本発明の実施形態を表す。 図２２は、単一の集束レンの概略側面図であり、本発明の実施形態を表す。 図２３Ａおよび２３Ｂは、４個のエミッタを有するモジュールと関連した配置のために構成された複合発散−集束光学素子の概略正面（図２３Ａ）図および断面（図２３Ｂ）であり、本発明の実施形態を表す。 図２４は、検出器に光結合された集光・集束レンズの概略斜視図であり、検出器による焦点および平面を示し、本発明の実施形態を表す。 図２５Ａおよび２５Ｂは、４個の処理ノード（モジュール）を含むノードの下正面（図２５Ａ）および上正面（図２５Ｂ）であり、４個のエミッタおよび３６個の検出器が３×３ノードアレイ中のノードの配列を示唆し、本発明の実施形態を表す。 図２６は、モジュールアレイの右上の４個のモジュールに対応する光学素子の非対称配列を示す、３×３モジュールあれの概略正面図であり、本発明の実施形態を表す。 図２７は、それぞれが小部分を含む４個の処理ノード（モジュール）の概略的な斜視図であり、本発明の実施形態を表す。 図２８Ａおよび２８Ｂは、４個の処理ノード（モジュール）を含むノードの下正面（図２８Ａ）および上正面（図２８Ｂ）図であり、本発明の実施形態を表す。 図２９は、３×３ノードアレイおよび３×３光学アレイならびにミラーを含む光相互接続の概略斜視図であり、本発明の実施形態を表す。

Claims (7)

  1. 複数のノードのうちの１つのノードの光信号エミッタからの光信号を、複数の光学素子のうちの１つの光学素子の発散素子によってファンアウトすることと、
    前記複数の光学素子のすべての光学素子の集光および集束素子によって、前記複数のノードのすべてのノードの複数のレシーバのうちの１つのレシーバに前記光信号をブロードキャスト送信することと
    を含む、自由空間光学的ファンアウトおよびブロードキャスト相互接続を動作させることを特徴とする方法であって
    前記複数の光学素子は、光学素子アレイを画定するよう位置決めされ、前記複数のノードは、レシーバアレイおよび前記光学素子アレイに実質的に対応するノードアレイを画定するように位置決めされ、画像形成ジオメトリに関して前記光学素子アレイのメンバーは、前記ノードアレイのノードに実質的に対応し、前記複数の光学素子の各々は、発散素子と、集光および集束素子とを含み、画像形成ジオメトリに関して前記光学素子アレイの前記発散素子は、前記ノードアレイの各ノードの光レシーバに実質的に対応し、前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記発散素子と、前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記集光および集束素子とは、実質的に同一平面上にあり、前記光信号エミッタからの光信号は、前記複数の光学素子のうちの１つの光学素子の前記発散素子によってファンアウトされ、前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記集光および集束素子によって前記複数のノードのすべてのノードの前記複数のレシーバのうちの１つのレシーバにブロードキャスト送信され、前記複数のノードの各々は、光信号エミッタと、複数の光信号レシーバとを有し、前記複数の光信号レシーバは、画像形成ジオメトリに関して前記ノードアレイに実質的に対応する個々のレシーバアレイを画定するように位置決めされ、前記複数のノードのすべてのノードの前記光信号エミッタと、前記複数のノードのすべてのノードの前記複数の光信号レシーバとは、実質的に同一平面上にある、方法。
  2. ファンアウトをした後、ブロードキャスト送信する前に、反射構造から前記光信号を反射することをさらに特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 別の光信号をファンアウトすることと、
    前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記集光および集束素子によって、前記複数のノードのすべてのノードの前記複数のレシーバのうちの１つのレシーバに、前記別の光信号をブロードキャスト送信することであって、２つの光信号は２つの異なる波長によって特徴付けられる、ことと
    をさらに特徴とする、請求項１に記載の方法。
  4. 別の光信号をファンアウトすることと、
    前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記集光および集束素子によって、前記複数のノードのすべてのノードの前記複数のレシーバのうちの１つのレシーバに、前記別の光信号をブロードキャスト送信することであって、２つの光信号は光信号の全強度を増加させるために集められる、ことと
    をさらに特徴とする、請求項１に記載の方法。
  5. 前記光信号を配光ミラーを介して送信することと、
    さらなる複数の光学素子のすべてのさらなる光学素子のさらなる集光および集束素子によって、さらなる複数のノードのすべてのさらなるノードのさらなる複数のレシーバのうちの１つのさらなるレシーバに、前記光信号をブロードキャスト送信することと
    をさらに特徴とする、請求項１に記載の方法。
  6. 前記配光ミラーが部分反射鏡を含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
  7. ノードアレイを画定するよう位置決めされた複数のノードであって、前記複数のノードの各々は、光信号エミッタと、複数の光信号レシーバとを有し、前記複数の光信号レシーバは、画像形成ジオメトリに関して前記ノードアレイに実質的に対応する個々のレシーバアレイを画定するように位置決めされており、前記複数のノードのすべてのノードの前記光信号エミッタと、前記複数のノードのすべてのノードの前記複数の光信号レシーバとは、実質的に同一平面上にある、複数のノードと、
    前記ノードのアレイに光結合された複数の光学素子であって、前記複数の光学素子は、光学素子アレイを画定するように位置決めされ、画像形成ジオメトリに関して前記光学素子アレイのメンバーは、前記ノードアレイのノードに実質的に対応し、前記複数の光学素子の各々は、発散素子と、集光および集束素子とを含み、前記光学素子アレイの前記発散素子は、画像形成ジオメトリに関して前記ノードアレイの各ノードの光レシーバに実質的に対応し、前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記発散素子と、前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記集光および集束素子とは、実質的に同一平面上にあり、前記光信号エミッタからの光信号は、前記複数の光学素子のうちの１つの光学素子の前記発散素子によってファンアウトされ、前記複数の光学素子のすべての光学素子の前記集光および集束素子によって前記複数のノードのすべてのノードの前記複数のレシーバのうちの１つのレシーバにブロードキャスト送信される、複数の光学素子と、
    前記光学素子のアレイに光結合された反射構造であって、前記光信号は、前記光信号がファンアウトされた後に前記反射構造によって反射される、反射構造と
    を含む、自由空間光学的ファンアウトおよびブロードキャスト相互接続を特徴とする装置。
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