KR101541534B1 - Apparatus and method for design of optical router in optical networks-on-chip - Google Patents

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한태희
이재훈
송용호
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for designing an optical router of an optical network-on-chip. According to the present invention, a characteristic graph depending on a connectivity relation between an optical switch of the optical router, an optical waveguide, and an optical terminator is created based on topology, a routing algorithm, and a traffic pattern of an optical network-on-chip; a minimization solution of costs of each edge in the characteristic graph and a minimization cost flow problem depending on the amount of data flow through an edge is detected; router connectivity information for the optical switch, the optical waveguide, and the optical terminator depending on the minimization solution is created; a tree graph according to an integer linear programming (ILP) method is created based on the router connectivity information; the minimization solution of crossing costs depending on constitution of the optical waveguide of each tree node in the tree graph and additional crossing costs depending on arrangement of the optical switch is detected through a predetermined crossing cost minimization function; each of the tree nodes is divided into a plurality of tiles, and then the optical switch, the optical waveguide; and the optical terminator are arranged by the tiles based on the minimization solution in order to create a physical layout.

Description

광학 네트워크 온 칩의 광 라우터 설계 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DESIGN OF OPTICAL ROUTER IN OPTICAL NETWORKS-ON-CHIP}[0001] APPARATUS AND METHOD FOR DESIGN OF OPTICAL ROUTER IN OPTICAL NETWORKS ON CHIP [0002]

본 발명은 광학 네트워크-온-칩(Optical Networks-On-Chip, ONoC) 환경에서 신호 감쇄를 최소화하여 라우팅을 처리하는 광 라우터를 설계하는 장치 및 그 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a design method for designing an optical router that handles routing by minimizing signal attenuation in an optical network-on-chip (ONoC) environment.

싱글 코어 프로세서의 전력 효율 대비 성능의 한계로 인해 다중 코어를 이용한 다중 프로세서 시스템-온-칩(Multi-Processor System-on-Chip, MPSoC)이 개발되었다. 이러한 다중 프로세서 시스템-온-칩에서는 기존의 버스(bus) 구조를 적용할 경우 병목의 문제가 발생되어 전체 시스템 성능 향상이 저하될 수 있다. 이로 인해, 수백개 이상의 코어와 IP(Intellectual Property)가 집적된 첨단 SoC 구조에 온-칩 네트워크(On-chip Network, OCN) 개념을 적용한 네트워크-온-칩(Network-on-Chip, NoC)이 등장하였다. NoC는 매우 복잡한 의사 소통 중심의 SoC 설계를 위한 확장 가능한 솔루션으로 부상하고 있다. 이러한 NoC 패러다임은 전체 시스템 성능에서 통신 용량에 미치는 영향을 강조하고 있으며, 따라서 기존의 통신 방식인 버스(bus) 구조는 온-칩 네트워크에 기반한 분산된 스위치/라우터로 대체되고 있다.Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) with multiple cores has been developed due to the limitations of power efficiency versus performance of single-core processors. In such a multiprocessor system-on-chip, when a conventional bus structure is applied, a problem of a bottleneck may occur and the performance of the entire system may be degraded. As a result, Network-on-Chip (NoC), which applies on-chip network (OCN) concepts to advanced SoC structures with integrated core and IP (Intellectual Property) . NoC is emerging as a scalable solution for highly complex communication-centric SoC designs. This NoC paradigm emphasizes the impact on communication capacity in overall system performance, and therefore the bus structure, which is a conventional communication scheme, is being replaced by a distributed switch / router based on on-chip network.

한편, 광학 네트워크 온 칩(OnoC)의 핵심인 광학 라우터에서는 광 스위치의 스위칭 및 광 도파관의 교차 시 신호 감쇄가 발생된다. 따라서, 대량의 광 스위치가 포함될 수 있으며 빈번한 광 스위칭이 발생되는 대규모 광학 네트워크 온 칩에서는 이에 따른 신호 손실이 큰 문제가 될 수 있다. 최근에는 광학 라우터에서의 삽입 손실이 최소화되도록 설계하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기존의 광학 라우터의 경우 확장성이 용이하지 않아 대부분 특정한 네트워크 온 칩 아키텍쳐에 최적화되는 한계가 있었다. 또한, 확장성을 고려하여 광학 라우터를 디자인하는 경우에도 확장성을 중점화함에 따라 기존에 비해 더 많은 신호 감쇄를 유발하는 단점이 있었다.On the other hand, in optical routers that are the core of optical network on chip (OnoC), switching of optical switches and signal attenuation occurs when optical waveguides intersect. Therefore, in a large-scale optical network-on-chip in which a large number of optical switches can be included and frequent optical switching occurs, the resulting signal loss can be a serious problem. In recent years, studies have been actively conducted to minimize insertion loss in optical routers. However, existing optical routers are not easily scalable, so they are mostly optimized for a specific network-on-chip architecture. Also, when the optical router is designed considering the scalability, there is a disadvantage that it causes more signal attenuation than the conventional optical router since the scalability is emphasized.

따라서, 다양한 네트워크 온 칩 아키텍처에 최적화되도록 확장성을 지원할 수 있으며, 광 라우터의 물리적 레이아웃을 고려하여 광 신호의 손실을 최소화할 수 있는 광 라우터 설계 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for an optical router design method capable of supporting scalability to optimize for various network-on-chip architectures and minimizing optical signal loss considering optical router physical layout.

이와 관련하여, 대한민국등록특허 제714073호(발명의 명칭: 통신 자원의 충돌이 없는 온칩 네트워크 자동 생성 방법)에서는, SoC 설계에 있어서 온 칩 네트워크를 구성하는 모듈들 간의 통신량에 대한 트래픽 그래프 및 통신 스케줄을 분석하여 각 통신 요구들 간의 경합이 없는 최적의 온칩 네트워크를 자동으로 생성하는 방법을 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Registration No. 714073 (entitled " On-chip Network Automatic Generation Method Without Contention of Communication Resources "), in the SoC design, traffic graphs and communication schedules for communication amounts between modules constituting an on- And automatically generates an optimal on-chip network without contention between communication requests.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 ONoC 환경에서 신호 감쇄를 최소화할 수 있는 광 라우터를 설계하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the problems of the related art described above, an embodiment of the present invention provides an apparatus and method for designing an optical router capable of minimizing signal attenuation in an ONoC environment.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.It should be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른, 복수의 광 라우터를 포함하는 광학 네트워크 온 칩(Optical Network-on-Chip, ONoC)의 광 라우터 설계 장치는, 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지, 라우팅 알고리즘 및 트래픽 패턴에 기초하여 광 라우터의 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터 사이의 연결 관계에 따른 특성화 그래프를 생성하고, 상기 특성화 그래프에서의 각 에지(edge)의 비용 및 상기 에지를 통한 데이터 플로우량에 따른 최소 비용 플로우 문제의 최소화 해(solution)를 검출하고, 상기 최소화 해에 따른 상기 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터에 대한 라우터 연결성 정보를 생성하는 라우터 연결 특성화부; 및 상기 라우터 연결성 정보에 기초하여 정수 선형 계획(integer linear programming, ILP) 기법에 따른 트리 그래프를 생성하고, 상기 트리 그래프에서 각 트리 노드를 복수의 타일(tile)로 분할하고, 기설정된 교차 비용 최소화 함수를 통해 상기 각 트리 노드의 광 도파관의 구성에 따른 교차 비용 및 광 스위치 배치에 따른 추가적인 교차 비용을 최소화하는 해를 검출하고, 상기 최소화하는 해에 기초하여 상기 타일 별로 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터를 배치하여 물리적인 레이아웃을 생성하는 라우터 소자 배치 모델링부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for designing an optical network-on-chip (ONoC) optical router including a plurality of optical routers, Generating a characterization graph according to a connection relationship between an optical switch, an optical waveguide, and an optical terminator of an optical router based on a topology, a routing algorithm, and a traffic pattern, calculating a cost of each edge in the characterization graph, A router connection characterization unit for detecting a solution of a minimum cost flow problem according to a data flow amount and generating router connectivity information for the optical switch, optical waveguide and optical terminator according to the minimization solution; And generating a tree graph according to an integer linear programming (ILP) technique based on the router connectivity information, dividing each tree node into a plurality of tiles in the tree graph, A solution for minimizing an intersection cost according to the configuration of the optical waveguide of each of the tree nodes and an additional intersection cost due to the arrangement of the optical switches is detected through the function of the optical switch, the optical waveguide and the optical switch And a router element placement modeling unit for arranging the terminators to generate a physical layout.

그리고, 본 발명의 다른 측면에 따른, 광학 네트워크 온 칩(Optical Network-on-Chip, ONoC)의 광 라우터 설계 장치를 통한 광 라우터 설계 방법은, 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지, 라우팅 알고리즘 및 트래픽 패턴에 기초하여 광 라우터의 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터 사이의 연결 관계에 따른 특성화 그래프를 생성하는 단계; 상기 특성화 그래프에서의 각 에지(edge)의 비용 및 상기 에지를 통한 데이터 플로우량에 따른 최소 비용 플로우 문제의 최소화 해(solution)를 검출하는 단계; 상기 최소화 해에 따른 상기 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터에 대한 라우터 연결성 정보를 생성하는 단계; 상기 라우터 연결성 정보에 기초하여 정수 선형 계획(integer linear programming, ILP) 기법에 따른 트리 그래프를 생성하는 단계; 기설정된 교차 비용 최소화 함수를 통해 상기 트리 그래프에서의 각 트리 노드의 광 도파관의 구성에 따른 교차 비용 및 광 스위치 배치에 따른 추가적인 교차 비용을 최소화하는 해를 검출하는 단계; 및 상기 각 트리 노드를 복수의 타일로 분할한 후, 상기 최소화하는 해에 기초하여 상기 타일 별로 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터를 배치하여 물리적인 레이아웃을 생성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of designing an optical router via an optical network-on-chip (ONoC) optical router designing apparatus, comprising the steps of: Generating a characteristic graph according to a connection relationship between the optical switch of the optical router, the optical waveguide, and the optical terminator based on the connection graph; Detecting a solution of a minimum cost flow problem according to the cost of each edge in the characterization graph and the data flow through the edge; Generating router connectivity information for the optical switch, optical waveguide, and optical terminator according to the minimization solution; Generating a tree graph according to an integer linear programming (ILP) scheme based on the router connectivity information; Detecting a solution that minimizes an intersection cost according to the configuration of the optical waveguide of each tree node in the tree graph and an additional intersection cost due to the optical switch arrangement through a predetermined intersection cost minimizing function; And dividing each tree node into a plurality of tiles, and arranging optical switches, optical waveguides, and optical terminators for each of the tiles based on the minimizing solution to generate a physical layout.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, ONoC에 특정 토폴로지, 라우팅 알고리즘 및 트래픽 패턴을 타겟팅하되, 신호 감쇄를 최적화한 광학 라우터를 설계할 수 있어 시스템에서의 에너지 효율을 높일 수 있다.According to any of the above-mentioned objects of the present invention, it is possible to design an optical router that optimizes signal attenuation while targeting a specific topology, a routing algorithm, and a traffic pattern to ONoC, thereby enhancing energy efficiency in the system.

그리고, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 기존의 네트워크 온 칩 시스템에서 고려하지 못한 실질적인 SoC 디자인의 구성 요소들을 고려할 수 있어 ONoC의 실용성을 높일 수 있다.According to any one of the tasks of the present invention, the actual elements of the SoC design that are not considered in the existing network-on-chip system can be considered, and the practicality of the ONoC can be enhanced.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 광 라우터 설계 시 낮은 삽입 손실, 적은 도파관 교차, 적은 광 스위치 및 최소의 라우터 사용 등의 장점을 갖는 라우터를 설계할 수 있다.Further, according to any one of the tasks of the present invention, it is possible to design a router having the advantages of low insertion loss, small waveguide crossing, small optical switch, and minimum router usage when designing an optical router.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 광 라우터 내 광 스위치 및 광 도파관을 통해 신호가 전송되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 서로 교차된 광 도파관에 의해 발생된 신호 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 그래프의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 소자들의 최적의 배치를 찾기 위한 트리 그래프의 일례를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파티션 타일에서의 광 도파관의 입력 및 출력 포지션을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파티션 타일에서의 두 개의 광 도파관 쌍 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파티션 타일에서의 광 스위치에 의한 추가 교차를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 각 노드를 복수의 타일로 분할하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리프 노드를 구성하는 베이직 셀의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
1 is a block diagram showing a configuration of an optical router designing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a method of transmitting a signal through an optical switch and an optical waveguide in an optical router in an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining signal loss caused by optical waveguides crossed with each other in an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example of a switching graph according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an example of a tree graph for finding an optimal layout of optical router elements according to an embodiment of the present invention.
6 is a view illustrating input and output positions of an optical waveguide in a partition tile according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a relationship between two pairs of optical waveguides in a partition tile according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram for explaining an additional intersection by an optical switch in a partition tile according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram for explaining a process of dividing each node into a plurality of tiles according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram illustrating a configuration of a basic cell constituting a leaf node according to an embodiment of the present invention.
11 is a flowchart illustrating a method of designing an optical router according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 일 실시예에서 광 라우터 내 광 스위치 및 광 도파관을 통해 신호가 전송되는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 또한 도 3은 본 발명의 일 실시예에서 서로 교차된 광 도파관에 의해 발생된 신호 손실을 설명하기 위한 도면이다.1 is a block diagram showing a configuration of an optical router designing apparatus according to an embodiment of the present invention. 2 is a diagram illustrating a method of transmitting a signal through an optical switch and an optical waveguide in an optical router in an embodiment of the present invention. 3 is a diagram for explaining signal loss caused by optical waveguides crossed with each other in an embodiment of the present invention.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 장치(10)의 구성 및 동작을 설명하기에 앞서, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 광 라우터(10) 내에 배치되는 복수의 광 스위치(11) 및 광 도파관(12)을 통한 신호 전송 방법에 대해서 설명하도록 한다.First, referring to FIG. 2, a description will be given of a structure and operation of an optical router design apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, The signal transmission method through the switch 11 and the optical waveguide 12 will be described.

광 스위치(11)는 광 도파관(12)을 통해 전송되는 신호(즉, 광 신호)의 진행 방향을 변경시키는 스위치 소자이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 광 스위치(11)는 어느 하나의 광 도파관(12-1)을 통해 일 방향으로 전송되던 신호를 다른 광 도파관(12-2)으로 전환시켜 진행 방향을 변경시킨다.The optical switch 11 is a switch element that changes the traveling direction of a signal (that is, an optical signal) transmitted through the optical waveguide 12. As shown in FIG. 2, the optical switch 11 converts a signal transmitted in one direction through one optical waveguide 12-1 to another optical waveguide 12-2, thereby changing the traveling direction.

도 2에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스위치(11)는 마이크로 링 공진기(micro-ring resonators, MR)일 수 있다. 또한, 광 스위치(11)는 서로 교차된 광 도파관 간에 신호를 전환시키는 교차 스위치 소자(crossing switch element)와, 서로 평행된 광 도파관 간에 신호를 전환시키는 평행 스위치 소자(parallel switch element)일 수 있다.2, the optical switch 11 according to an exemplary embodiment of the present invention may be a micro-ring resonator (MR). The optical switch 11 may be a crossing switch element for switching a signal between optical waveguides crossed with each other and a parallel switch element for switching a signal between optical waveguides parallel to each other.

도 2의 (a) 및 (b)에서는 교차된 두 광 도파관(Optical waveguide)(12-1, 12-2)의 사이에서 광 신호(Optical signal)의 진행 방향을 전환시키는 교차 스위치 소자(11)의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 나타내었다. 도 2의 (a)에서와 같이, 광 신호가 제 1 광 도파관(12-1)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행하던 중 교차 스위치 소자(11)가 온(on)되면, 제 1 광 도파관(12-1)을 통해 진행하던 광 신호가 제 2 광 도파관(12-2)으로 커브되어 드롭(drop) 방향으로 진행된다. 그리고 도 2의 (b)에서와 같이 광 신호가 제 1 광 도파관(12-1)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행할 때 교차 스위치 소자(11)가 오프(off)된 상태이면, 광 신호는 그대로 직진 방향으로 계속 진행된다.2 (a) and 2 (b), a crossing switch element 11 for switching the traveling direction of an optical signal between two optical waveguides 12-1 and 12-2 crossed, (On) and off (off) states. As shown in FIG. 2A, when the crossing switch element 11 is turned on while the optical signal proceeds from the input through the first optical waveguide 12-1 in the straight through direction , The optical signal traveling through the first optical waveguide 12-1 is curved by the second optical waveguide 12-2 and proceeds in the drop direction. 2 (b), when the optical signal travels from the input through the first optical waveguide 12-1 in the straight through direction, the crossed switch element 11 is turned off The optical signal continues to travel in the straight-ahead direction.

또한 도 2의 (c) 및 (d)에서는 평행한 두 광 도파관(Optical waveguide)(12-3, 12-4)의 사이에서 광 신호(Optical signal)의 진행 방향을 전환시키는 평행 스위치 소자(11)의 온(on) 상태 및 오프(off) 상태를 나타내었다. 도 2의 (c)에서와 같이, 광 신호가 제 1 광 도파관(12-3)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행하던 중 평행 스위치 소자(11)가 온(on)되면, 제 1 광 도파관(12-3)을 통해 진행하던 광 신호가 제 2 광 도파관(12-4)으로 커브되어 드롭(drop) 방향으로 진행된다. 즉, 앞서 도 2의 (a)에서는 두 도파관(12-1, 12-2)이 교차된 상태이므로, 교차 스위치 소자(11)가 온(on)됨에 따라 광 신호가 제 1 광 도파관(12-1)으로부터 하부 수직 방향으로 구부러져 제 2 광 도파관(12-2)으로 전환되는 것을 나타내었다. 이에 비해, 도 2의 (c)에서는 두 광 도파관(12-3, 12-4)이 서로 평행하므로 평행 스위치 소자(11)가 온(on)됨에 따라 광 신호가 제 1 광 도파관(12-1)으로부터 180도 구부러져 제 2 광 도파관(12-4)으로 전환된다. 즉, 평행 스위치 소자(11)에 의해 광 신호가 입력(input)되었던 방향을 향해 다시 돌아가도록 전환된다. 그리고 도 2의 (d)에서와 같이 광 신호가 제 1 광 도파관(12-3)을 통해 입력(input)으로부터 직진(through) 방향으로 진행할 때 평행 스위치 소자(11)가 오프(off)된 상태이면, 광 신호는 그대로 직진 방향으로 계속 진행된다.2 (c) and 2 (d), a parallel switch element 11 for switching the traveling direction of an optical signal between two parallel optical waveguides 12-3 and 12-4 (On) and off (off) states. As shown in FIG. 2 (c), when the parallel switch element 11 is turned on while the optical signal is traveling from the input through the first optical waveguide 12-3 in the straight through direction , The optical signal traveling through the first optical waveguide 12-3 is curved by the second optical waveguide 12-4 and proceeds in the drop direction. That is, since the two waveguides 12-1 and 12-2 are in an intersecting state in FIG. 2 (a), as the crossing switch element 11 is turned on, the optical signal is transmitted through the first optical waveguide 12- 1 to the second optical waveguide 12-2 in the lower vertical direction. In contrast, in FIG. 2C, since the two optical waveguides 12-3 and 12-4 are parallel to each other, as the parallel switch element 11 is turned on, the optical signal is transmitted through the first optical waveguide 12-1 And is switched to the second optical waveguide 12-4. That is, the parallel switch element 11 is switched so as to return toward the direction in which the optical signal is input. 2 (d), when the optical signal travels from the input through the first optical waveguide 12-3 in the straight through direction, the parallel switch element 11 is turned off The optical signal continues to travel in the straight-ahead direction.

그런데 광 스위치(11)의 불완전성에 의해, 도 2에 나타낸 바와 같이, 광 스위치(11)가 온(on)된 상태에서는 신호가 통과되는 방향(즉, 직진)으로 누설 광 신호가 전달되어 크로스토크 노이즈가 발생될 수 있다. 즉, 광 스위치(11)에 의한 신호 턴(turn)마다 일정량의 신호 손실이 발생되며, 광 스위치(11)에 의한 신호의 방향 전환 횟수가 증가됨에 따라 신호 손실량 또한 축적될 수 있다.2, when the optical switch 11 is turned on, a leakage optical signal is transmitted in the direction in which the signal passes (that is, in a straight line), and the crosstalk Noise may be generated. That is, a certain amount of signal loss occurs every signal turn by the optical switch 11, and the signal loss amount can also be accumulated as the number of times of switching the direction of the signal by the optical switch 11 is increased.

광 라우터에서의 포트 간 광 신호 스위칭은, 삽입 손실(insertion loss)이 없는 '직접 연결' 또는 일정량의 삽입 손실이 발생하는 '광 스위치'를 통할 수 있다. 이때, 직접 연결이 광 스위치를 통한 스위칭에서보다는 삽입 손실이 작으나, 하나의 광 라우터 내에서 포트-포트 연결 쌍 중에서 입력/출력 포트 쌍만이 직접 연결이 가능하다. 따라서, 직접 연결되는 포트-포트 연결 쌍 외의 나머지 스위칭 기능들은 광 스위치에 의해 구현되므로 스위치 소자의 개수 및 그 배치를 최적화하여야 한다.Switching of optical signals between ports in an optical router can be through 'direct connection' with no insertion loss or 'optical switch' with a certain amount of insertion loss. In this case, although the direct connection has a smaller insertion loss than switching through the optical switch, only a pair of input / output ports can be directly connected among the port-port connection pairs within one optical router. Therefore, since the remaining switching functions other than the directly connected port-port connection pair are implemented by the optical switch, the number and arrangement of the switching elements must be optimized.

한편, 위와 같은 광 스위치(11)의 스위칭 활동에 의한 신호 손실뿐만 아니라, 도 3에서와 같이 광 도파관이 서로 교차할 경우 추가적인 신호 손실이 발생할 수 있다. 비록 이러한 광 도파관 간의 교차에 의한 신호 손실은 광 스위치의 스위칭 활동에 의한 신호 손실보다는 작으나, 대규모 스케일의 광학 네트워크 온 칩에서는 광 도파관의 교차가 발생되는 상황이 빈번하게 발생되므로 전체적으로 큰 영향을 미칠 수 있다.On the other hand, in addition to the signal loss due to the switching action of the optical switch 11 as described above, additional signal loss may occur when the optical waveguides cross each other as shown in FIG. Although the signal loss due to the intersection between these optical waveguides is smaller than the signal loss due to the switching action of the optical switch, the intersection of the optical waveguide occurs frequently in the optical network on chip of a large scale scale, have.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 장치(100)는 이러한 광 스위치의 삽입 및 광 도파관들의 교차(crossing)가 최소화될 수 있도록 광 라우터 내의 소자들(즉, 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터)의 배치를 최적화시킨다.Thus, the optical router design apparatus 100 according to an embodiment of the present invention can be configured to minimize the crossing of the optical switches and the insertion of such optical switches, so that the elements (i.e., optical switches, optical waveguides, Optical terminator).

구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 장치(100)는, 라우터 연결 특성화부(110) 및 라우터 소자 배치 모델링부(120)를 포함한다.Specifically, as shown in FIG. 1, the optical router design apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a router connection characterization unit 110 and a router element layout modeling unit 120.

라우터 연결 특성화부(110)는 광학 네트워크 온 칩에 대해 기설정된 토폴로지, 기설정된 사용 라우팅 알고리즘의 종류, 및 기설정된 트래픽 패턴에 기초하여, 광 라우터에 포함된 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미터이터들 사이의 연결 관계를 스위칭 그래프 형태로 특성화시킨다.The router connection characterization unit 110 is configured to determine, based on the predetermined topology for the optical network-on-chip, the kind of the predetermined use routing algorithm, and the preset traffic pattern, the optical switch, the optical waveguide, Lt; / RTI > in the form of a switching graph.

참고로, 토폴로지는 포트 수를 결정하는 조건이고, 라우팅 알고리즘은 요구되는 스위칭들을 식별할 수 있도록 하는 조건이며, 트래픽 패턴은 입력/출력 포트 쌍 사이에서의 스위칭 활동을 계산할 수 있도록 하는 조건이다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 장치(100)는 광 라우터 내 복수의 포트 쌍들을 직접 연결 또는 광 스위치를 통한 연결 중 어떻게 연결할 것인지, 어떤 포트들을 종료시킬 것인지, 및 어떤 스위칭을 광 스위치로 구현할 것인지에 따른 광 스위치 및 광 도파로의 개수를 결정하여 광 라우터 내에 소자들의 레이아웃을 결정할 수 있다.For reference, a topology is a condition that determines the number of ports, a routing algorithm is a condition that allows to identify the required switching, and a traffic pattern is a condition that allows calculation of the switching activity between input / output port pairs. Accordingly, the optical router design apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may be configured to determine how to connect a plurality of port pairs in an optical router either through a direct connection or an optical switch, The number of optical switches and optical waveguides depending on whether to implement the optical switch with the optical switch can be determined to determine the layout of elements in the optical router.

구체적으로, 라우터 연결 특성화부(110)는 광 라우터의 광 스위치, 광 도파관, 광 터미네이터들 사이의 관계를 스위칭 그래프 G=(V, E)로 특성화한다. 이때, 광 라우터에서 한 개의 포트는 반드시 다른 포트 중 어느 하나에 연결되거나 종료되며, 각 소자(즉, 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터) 간의 연결들은 각각 비용(cost)을 갖는다.Specifically, the router connection characterization section 110 characterizes the relationship between the optical switches, optical waveguides, and optical terminators of the optical router to the switching graph G = (V, E). At this time, one port in the optical router is always connected to one of the other ports or is terminated, and the connections between the respective devices (i.e., optical switch, optical waveguide and optical terminator) are each cost.

라우터 연결 특성화부(110)가 스위칭 그래프 G=(V, E)를 이용하여 공식화한 최소 비용 플로우 문제(minimum cost flow problem)는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The minimum cost flow problem formulated by the router connection characterization unit 110 using the switching graph G = (V, E) can be expressed by the following equation (1).

<수학식 1>&Quot; (1) &quot;

Figure 112014071885626-pat00001
Figure 112014071885626-pat00001

여기서, d는 송신 요구 데이터량이고, s,tV일 때 s는 소스(source)이고 t는 싱크(sink)이다. 그리고 u,vV 일 때 (u,v)는 정점(vertax) u에서 v까지의 에지(edge)이되, (u,v)∈E이다. 또한 a(u,v)는 에지 (u,v)의 비용을 나타내고, f(u, v)는 에지 (u,v)를 통한 데이터 플로우의 양이고, c(u, v)는 에지 (u,v)의 데이터 플로우 용량을 나타낸다.Where d is the amount of data to send, s, tV , s is the source and t is the sink. And, when u, vV ( u, v ) is the edge from vertex u to v, ( u, v ) ∈ E. In addition, a (u, v) denotes the cost of the edge (u, v), f (u, v) is the amount of data flow through the edge (u, v), c (u, v) is an edge (u , v ).

한편, 광 라우터의 포트(port) vV일 때, 입력 포트는 v in ,i 이고, 출력 포트는 v out ,i 이고, 광 터미네이터는 v term _ in v term _ out 이고, 소스는 v s 이며, 싱크는 v t 이다.On the other hand, when the optical router port (port) vV, the input port is v in, i, and the output port v out, i, and an optical terminator v term _ and in and v term _ out, the source is v s And the sink is v t .

또한, 에지 e k =(v,u)∈E로서, v,uV일 때 (v,u)는 정점 v로부터 u로 가는 에지를 나타낸다. 이러한 에지 (v,u)는 다음과 같은 4가지 타입으로 분류될 수 있다. 첫 번째 타입은 소스부터 입력 포트까지의 에지 (vs, vin ,i) 또는 소스부터 광 터미네이터까지의 에지 (vs, vterm _ in)이고, 두 번째 타입은 입력 포트로부터 출력 포트까지의 에지 (vin ,i, vout ,j)이고, 세 번째 타입은 출력 포트로부터 싱크까지의 에지 (vout,j, vt) 또는 광 터미네이터로부터 싱크까지의 에지 (vterm _ out, vt)이다. 또한, 네 번째 타입은 입력 포트로부터 광 터미네이터까지의 에지 (vin ,i, vterm _ out) 또는 광 터미네이터로부터 출력 포트까지의 에지 (vterm _ in, vout ,j)이다.In addition, the edge e = k (v, u) as ∈ E, v, uV days when (v, u) represents the edge goes from vertex u to v. These edges ( v, u ) can be classified into the following four types. The first type is edge to the input port from the source edge from (v s, v in, i) or a source to an optical terminator (v s, v term _ in), and the second type to the output port from the input port, edge (v in, i, v out, j), and the third type of edge from the output port to the sink (v out, j, v t) or edge from the optical terminator to the sink (v term _ out, v t )to be. In addition, the four edges (v in, i, v term _ out) or edge (_ v term in, v out, j) of the output port to the light from the terminator to the light from the terminator second type is an input port.

이러한 각 에지들은 용량(capacity) 및 비용(cost)을 갖는다. 에지의 용량은 직접 포트-포트 간 연결의 단일 권한을 보장하는데 사용되고, 비용은 라우팅 경로에 대응하는 스위칭 활동을 나타내는데 사용된다.Each of these edges has a capacity and a cost. The capacity of the edge is used to guarantee a single right of direct port-to-port connection, and the cost is used to indicate the switching activity corresponding to the routing path.

구체적으로, 최소 비용 플로우 문제에서 에지 용량은 각 에지의 최대 플로우의 상한 제한을 의미한다. 예를 들어, 직접 연결의 단일성을 보장하기 위해, 입력 포트 (v in ,i ) 또는 출력 포트 (v out ,j )와 연결된 용량을 1로 설정한다. 참고로, 광 터미네이터 (vterm _ in) 또는 (vterm _ out)과 연관된 에지는 모든 입력/출력 포트가 종료된 것을 의미한다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에서 최소 비용 플로우 문제의 에지 용량은 다음 수학식 2에서와 같이 결정된다.Specifically, the edge capacity in the least cost flow problem means the upper limit of the maximum flow of each edge. For example, to ensure the unity of the direct connection , the capacity connected to the input port ( v in , i ) or the output port ( v out , j ) is set to one. For reference, the edges associated with the optical terminator (term _ v in), or (v term _ out) is a means that all input / output ports are terminated. Thus, in one embodiment of the present invention, the edge capacity of the least cost flow problem is determined as in the following equation (2).

<수학식 2>&Quot; (2) &quot;

Figure 112014071885626-pat00002
Figure 112014071885626-pat00002

상기 수학식 2에서 n은 출력 포트의 개수이고, m은 입력 포트의 개수이다.In Equation (2), n is the number of output ports and m is the number of input ports.

한편, 최소 비용 플로우 문제에서 에지 비용은, 입력 포트부터 출력 포트까지 더 높은 스위칭 빈도이면 더 낮은 에지 비용이고, 포트와 광 터미네이터 사이에 존재하는 에지의 비용은 스위칭 활동이 제로(zero)인 에지의 비용보다 낮다는 조건 하에 유도된다.On the other hand, in the minimum cost flow problem, the edge cost is the lower edge cost if the switching frequency is higher from the input port to the output port, and the cost of the edge existing between the port and the optical terminator is Is lower than the cost.

먼저, 직접 연결이 삽입 손실을 방지하기 위한 최상의 선택이므로, 가장 높은 스위칭 활동(즉, 빈도)를 갖는 포트 쌍 사이에 직접 연결을 할당한다. 이러한 스위칭 활동에 대한 비용은 하기 수학식 3을 통해 산출할 수 있다.First, because direct connections are the best choice to avoid insertion loss, they allocate direct connections between pairs of ports with the highest switching activity (ie, frequency). The cost for such a switching activity can be calculated by the following equation (3).

<수학식 3>&Quot; (3) &quot;

Figure 112014071885626-pat00003
Figure 112014071885626-pat00003

상기 수학식 3에서 Tc는 광학 네트워크 온 칩에서의 통신 트래픽의 세트(set)이고, ρ i 는 입력 포트이고, ρ j 는 출력 포트이다. 그리고 CS(ρ i ,ρ j ,t)는 기설정된 토폴로지 및 통신 트래픽 t에 대한 라우팅 알고리즘에 따른 포트 ρ i 로부터 ρ j 까지의 스위칭 활동을 나타낸다. 또한 D t는 통신 트래픽 t의 상대적인 데이터 레이트(data rate)이다.In Equation (3), T c is a set of communication traffic in the optical network-on-chip, ρ i is an input port, and ρ j is an output port. CS ( ρ i , ρ j , t ) represents the switching activity from port ρ i to ρ j according to the routing algorithm for the predetermined topology and communication traffic t. Also, D t is the relative data rate of the communication traffic t.

다음으로, 오픈-엔드(open-end) 도파관을 제거하기 위하여, 에지 비용을 다음 수학식 4와 같이 결정한다.Next, in order to remove the open-end waveguide, the edge cost is determined according to the following equation (4).

<수학식 4>&Quot; (4) &quot;

Figure 112014071885626-pat00004
Figure 112014071885626-pat00004

상기 수학식 4에서 α 양(+)의 극소 값으로서, 도파관 교차를 최소화하기 위해 중복 연결(redundant connection)을 줄이는데 사용된다.In Equation (4) ,? A minus value of positive (+) is used to reduce the redundant connection to minimize waveguide crossing.

이러한 vs 및 vt와 관련된 에지는 직접 연결의 단일성을 보장하거나 또는 최소 비용 흐름 문제를 테일러링(정립)하기 위해 사용되는 더미(dummy)이다. 따라서, 효과적인 플로우는 a(v in ,i , v out ,j ), a(v in ,i , v term _ out ) 및 a(v term _ in , v out ,j )로서 줄어든다.The edges associated with v s and v t are dummies used to ensure unity of direct connections or to tailor the least cost flow problem. Thus, less effective as the flow a (v in, i, v out, j), a (v in, i, v term _ out) and a (term _ v in, v out, j).

이에 따라, 라우터 연결 특성화부(110)는 이상에서와 같은 공식화된 최소 비용 플로우 문제에 따른 효과적인 솔루션을 검출한다.Accordingly, the router connection characterization unit 110 detects an effective solution to the above-described formalized least-cost-flow problem.

구체적으로, 라우터 연결 특성화부(110)는 의미있는 솔루션으로서 다음의 경우 중 하나를 결정한다.Specifically, the router connection characterization unit 110 determines one of the following cases as a meaningful solution.

첫 번째 경우, 입력 포트 ρ i 로부터 출력 포트 ρ j 까지의 직접 연결은 a(v in,i , v out ,j )=1일 때 스위칭 활동이 최고인 곳으로 선택된다. 두 번째 경우, 광 스위치는 a(v in , i' , v out , j' )=0 및 c(v in , i' , v out , j' )≠0일 때 입력 포트 ρ i' 와 출력 포트 ρ j' 사이에 배치된다. 세 번째 경우, 입력 포트 ρ i'' 또는 출력 포트 ρ j'' a(v in,i'' , v term _ out ) 또는 a(v term _ in , v out , j'' ) 중 어느 하나가 1일 때 광 터미네이터에 연결된다.In the first case, the direct connection from the input port ρ i to the output port ρ j is chosen to be the highest switching activity when a ( v in, i , v out , j ) = 1. In the second case, the optical switch is a (v in, i ', v out, j') = 0 and c (v in, i ', v out, j') ≠ 0 in port when ρ i 'and the output port rho j ' . In the third case, the input port ρ i " Or exit port ρ j '' is a (v in, i 'is connected to a', v term _ out) or a (v term _ in, v out, j '') optical terminator when any one of the 1st.

라우터 연결 특성화부(110)는 상기 솔루션에 따른 광 라우터 내 소자들(광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터) 간의 관계 정보를 라우터 연결성 정보(connectivity information)로서 생성하여 라우터 소자 배치 모델링부(120)로 전달한다.The router connection characterization unit 110 generates information on the relationship between elements (optical switches, optical waveguides, and optical terminators) in the optical routers according to the solution as router connectivity information, and transmits the information to the router element layout modeling unit 120 .

예를 들어, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 그래프의 일례를 나타낸 도면이다.For example, FIG. 4 illustrates an example of a switching graph according to an embodiment of the present invention.

도 4에서는, 라우터 구조 생성을 위한 네트워크 플로우 모델의 일례를 도시하였다. 구체적으로, 도 4에서는 12개의 광 스위치(예를 들어, MR) 및 2개의 광 라우터를 갖는 XY 라우팅 알고리즘의 8×8 메시 토폴로지 광학 네트워크 온 칩을 위한 스위칭 그래프를 도시하였다.FIG. 4 shows an example of a network flow model for creating a router structure. Specifically, FIG. 4 shows a switching graph for an 8x8 mesh topology optical network on chip of an XY routing algorithm with twelve optical switches (e.g., MR) and two optical routers.

도 4에 도시한 스위칭 그래프에서는, 포트들이 서-동(west-east), 동-서(east-west), 남-북(south-north), 북-남(north-south)이 각각 직접 연결되고, 인젝션(injection) 포트 및 이젝션(ejection) 포트가 종료되며, 나머지 다른 스위칭 기능들은 광 스위치에 의해 구현되는 것을 나타내었다. In the switching graph shown in FIG. 4, the ports are connected directly to each other in the west-east, east-west, south-north, and north- The injection port and the ejection port are terminated and the rest of the switching functions are implemented by the optical switch.

다시 도 1로 돌아가서, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는, 광 라우터 내 광 도파관의 교차 수를 최소화시키기 위한 광 스위치 배치 및 광 도파관 라우팅 설정을 처리한다.Returning to Fig. 1, the router element placement modeling unit 120 processes the optical switch arrangement and the optical waveguide routing setting to minimize the number of optical waveguides crossing in the optical router.

라우터 소자 배치 모델링부(120)는 라우터 연결 특성화부(110)를 통해 결정된 라우터 연결성 정보(connectivity information)들에 기초하여 광 스위치들의 배치와, 포트들 사이에 광 도파관, 광 스위치 및 광 터미네이터를 어떻게 라우팅할 것인지를 결정한다.The router element placement modeling unit 120 classifies the arrangement of the optical switches based on the router connectivity information determined through the router connection characterization unit 110 and the arrangement of the optical waveguide, Decides whether to route.

구체적으로, 광 도파관 라우팅 시에는 광 신호가 여러 광 스위치를 통해 전달되거나 광 터미네이터에서 종료됨에 따라 광 도파관 쌍 사이의 물리적 구성이 복잡해지며, 이에 의해 광 도파관 교차 문제가 발생될 수 있다. 이러한 광 도파관 교차 문제의 해결을 위해, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 광 도파관의 구조 설정 시 계층적 트리 기반(hierarchical tree-based)의 정수 선형 계획(integer linear programming, ILP) 방법으로 삽입 손실 최소화 문제(insertion loss minimization problem)를 모델링한다. 이때, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 하기 도 5에서와 같은 트리 그래프를 생성하고, 트리 그래프에서 공간 트리의 각 노드(51, 52, 53, 54)를 광 스위치(11)가 할당될 복수의 타일(T)로 분할한다.Specifically, in the optical waveguide routing, as the optical signal is transmitted through the various optical switches or terminated at the optical terminator, the physical configuration between the optical waveguide pairs becomes complicated, thereby causing the optical waveguide crossing problem. In order to solve this optical waveguide crossing problem, the router element placement modeling unit 120 uses a hierarchical tree-based integer linear programming (ILP) method to set the structure of the optical waveguide, Model the insertion loss minimization problem. The router element placement modeling unit 120 generates the tree graph as shown in FIG. 5 and stores each node 51, 52, 53, and 54 of the space tree in the tree graph as a plurality Tiles &lt; RTI ID = 0.0 &gt; T &lt; / RTI &

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 소자들의 최적의 배치를 찾기 위한 트리 그래프의 일례를 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)에서와 같은 트리 그래프에서 각 트리 노드를 공간적으로 복수의 타일(tile)로 분할(partitioning)하면, 도 5의 (b)에서와 같이 실제적인 복수의 파티션 타일을 획득할 수 있다.5 is a diagram illustrating an example of a tree graph for finding an optimal layout of optical router elements according to an embodiment of the present invention. 5A, when partitioning each tree node into a plurality of tiles spatially, a plurality of actual partition tiles can be obtained as shown in FIG. 5B. have.

라우터 소자 배치 모델링부(120)는 각 트리 노드의 파티션 타일 별로 도파관의 수신(incoming) 및 발신(outgoing) 포지션에 기초하여 광 도파관의 교차 수를 계산한다.The router element placement modeling unit 120 calculates the number of optical waveguide crossings based on the incoming and outgoing positions of the waveguides for each partition tile of each tree node.

이때, 각 트리 노드에서, 광 스위치들의 집합인 M을

Figure 112014071885626-pat00005
이라 정의하고, 광 도파관의 집합인 W를
Figure 112014071885626-pat00006
이라 정의한다. 여기서, nm과 nw는 각각 배치되는 광 스위치 및 광 도파관의 수를 나타낸다. 또한, 각각의 광 스위치(mi∈M)에 관련된 통과(through) 도파관 및 드롭(drop) 도파관은 각각 through(mi) 및 drop(mi)로 정의한다.At this time, in each tree node, a set M of optical switches
Figure 112014071885626-pat00005
, And W, which is a set of optical waveguides
Figure 112014071885626-pat00006
. Here, n m and n w represent the number of optical switches and optical waveguides arranged, respectively. In addition, the passage associated with each of the optical switches (m i ∈M) (through) the wave guide and drop (drop) the waveguide is defined as a through (m i) and drop (m i), respectively.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 ILP 정립에서 다음과 같은 복수의 변수를 정의한다.In the ILP formulation according to an embodiment of the present invention, a plurality of variables are defined as follows.

먼저, MRi ,j는 광 스위치 MRmi가 파티션 타일 tj에 배치되는지 여부를 나타내는 이진 변수이다. MRmi가 Ti에 배치된 경우 MRi ,j=1로 설정하고, 그렇지 않은 경우 MRi,j=0 으로 설정한다. 이때, 파티션 타일

Figure 112014071885626-pat00007
로 정의된다.First, MR i , j is a binary variable indicating whether the optical switch MR mi is located in the partition tile t j . MR i , j = 1 if MR mi is placed in T i , and MR i, j = 0 otherwise. At this time,
Figure 112014071885626-pat00007
.

그리고 WIi ,j,k는 파티션 타일 tj에서 광 도파관 wi의 수신 포지션(incoming position)이 포지션 pk에 배치되는지 여부를 나타내는 이진 변수이다. 광 도파관 wi의 수신 포지션이 포지션 pk에 배치되는 경우 WIi ,j,k=1로 설정하고 그렇지 않은 경우 WIi ,j,k=0으로 설정한다.And WI i , j, k are binary variables indicating whether the incoming position of the optical waveguide w i in the partition tile t j is located at the position p k . If the reception position of optical waveguide w i is placed at position p k , WI i , j, k = 1 is set. Otherwise, WI i , j, k = 0 is set.

또한 WOi ,j,k는 파티션 타일 tj에서 광 도파관 wi의 발신 포지션(outgoing position)이 포지션 pk에 배치되는지 여부를 나타내는 이진 변수이다. 광 도파관 wi의 발신 포지션이 포지션 pk에 배치되는 경우 WOi ,j,k=1로 설정하고 그렇지 않은 경우 WOi ,j,k=0으로 설정한다. 이때, 포지션 pk

Figure 112014071885626-pat00008
의 요소로서, P는 하나의 파티션 타일에서 경계 위치들(boundary position)의 집합(set)이다.Also, WO i , j, k is a binary variable indicating whether the outgoing position of the optical waveguide w i at the partition tile t j is located at the position p k . If the originating position of the optical waveguide w i is located at position p k , WO i , j, k = 1 is set; otherwise, WO i , j, k = 0 is set. At this time, the position p k
Figure 112014071885626-pat00008
, Where P is a set of boundary positions in one partition tile.

예를 들어, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파티션 타일에서의 광 도파관의 입력 및 출력 포지션을 나타내는 도면이다.For example, FIG. 6 illustrates input and output positions of an optical waveguide in a partition tile according to an embodiment of the present invention.

도 6에서는 배치된 도파관의 수가 최대 3개인 경우, ILP 정립에서의 입력 및 출력 도파관의 포지션 값을 나타내었다. 이때, 각 포지션 p의 위치가 최좌측에서 시작하여 시계 방향(clockwise)으로 순차적으로 P의 요소 중 하나에 매핑된다. 참고로, 파티션 타일의 각 측면의 포지션 개수는 배치된 도파관의 최대 수와 대응된다.FIG. 6 shows the position values of the input and output waveguides in the ILP sizing when the number of arranged waveguides is three at maximum. At this time, the position of each position p is sequentially mapped to one of the elements of P clockwise starting from the leftmost position. For reference, the number of positions on each side of the partition tile corresponds to the maximum number of disposed waveguides.

이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 ILP 정립의 변수가 정의된 상태에서, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 도파관 교차 값을 산출한다.As described above, in a state where the ILP setting parameter is defined according to the embodiment of the present invention, the router element placement modeling unit 120 calculates the waveguide crossing value.

이때, 도파관 쌍(pair) 사이의 구성은 다음과 같은 세 가지 경우로 대표될 수 있으므로, 파티션 타일에서 하나의 도파관 쌍의 수신/발신 포지션을 식별함으로써 도파관 교차를 예측할 수 있다.At this time, since the configuration between the waveguide pairs can be represented by the following three cases, the waveguide intersection can be predicted by identifying the reception / transmission position of one waveguide pair in the partition tile.

도파관 쌍 사이의 구성은, 첫 번째로 도파관 쌍이 평행할 필요가 없는 경우 교차없이 반대 방향으로 진행하는 경우, 두 번째로 도파관 쌍이 평행할 필요가 없을 경우 교차없이 동일 방향으로 진행하는 경우, 및 세 번째로 두 도파관이 수직될 필요에 따라 교차하는 경우이다.The configuration between the waveguide pairs is such that the waveguide pair travels in the opposite direction without crossing if the first pair of waveguides need not be parallel, the second waveguide pair travels in the same direction without crossing if it is not necessary to be parallel, And the two waveguides intersect as needed to be vertical.

예를 들어, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 파티션 타일에서의 두개의 광 도파관 쌍 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.For example, FIG. 7 illustrates a relationship between two pairs of optical waveguides in a partition tile according to an embodiment of the present invention.

도 7의 (a) 및 (b)에서는 두 도파관이 교차없이 반대 방향인 경우를 나타내었고, (c) 및 (d)는 두 도파관이 교차없이 같은 방향인 경우를 나타내었으며, (e) 및 (f)는 두 도파관이 교차하는 경우를 나타내었다.(C) and (d) show the case where two waveguides are in the same direction without crossing each other, and (e) and (d) f) shows the crossing of two waveguides.

이때, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 각각의 도파관 쌍 사이의 구성의 경우를 다음과 같이 정의된 교차 체크 함수(crossing check function)들을 통해 구분한다.At this time, the router element modeling unit 120 divides the case of the configuration between each pair of waveguides through crossing check functions defined as follows.

첫 번째 교차 체크 함수 O(wi,wj,tk), O'(wi,wj,tk)는 도파관 wi와 wj가 교차없이 반대 방향을 라우팅하는지를 식별하는 이진 값 함수이다. 만약 두 도파관이 도 7의 (a)와 같이 배열되면 O(wi,wj,tk)=1로 설정되고, 도 7의 (b)와 같이 배열되면 O'(wi,wj,tk)=1로 설정되며, 그렇지 않은 경우에는 O(wi,wj,tk)=O'(wi,wj,tk)=0으로 설정된다.The first cross check function O (w i , w j , t k ), O '(w i , w j , t k ) is a binary value function that identifies whether the waveguides w i and w j are routed in the opposite direction without crossing . If two wave guide when the arrangement as shown in (a) of Fig. 7 O (w i, w j , t k) = when the arrangement as shown is set to 1, as shown in Fig. 7 (b) O '(w i, w j, set to t k) = 1, and otherwise it is set to O (w i, w j, t k) = O '(w i, w j, t k) = 0.

두 번째 교차 체크 함수 S(wi,wj,tk), S'(wi,wj,tk)는 도파관 wi와 wj가 교차없이 같은 방향을 라우팅하는지를 식별하는 이진 값 함수이다. 만약 두 도파관이 도 7의 (c)와 같이 배열되면 S(wi,wj,tk)=1로 설정되고, 도 7의 (d)와 같이 배열되면 S'(wi,wj,tk)=1로 설정되며, 그렇지 않은 경우 S(wi,wj,tk)=S'(wi,wj,tk)=0으로 설정된다.The second cross check function S (w i , w j , t k ), S '(w i , w j , t k ) is a binary value function that identifies whether the waveguides w i and w j are routed in the same direction without crossing . If both when the waveguides are arranged as shown in (c) of Figure 7 S (w i, w j , t k) = when the arrangement as shown is set to 1, (d) in FIG. 7 S '(w i, w j, set to t k) = 1 and otherwise is set to S (w i, w j, t k) = S '(w i, w j, t k) = 0.

세 번째 교차 체크 함수 C(wi,wj,tk), C'(wi,wj,tk)는 도파관 wi와 wj가 교차하는지를 식별하는 이진 값 함수이다. 만약 두 도파관이 도 7의 (e)와 같이 배열되면 C(wi,wj,tk)=1로 설정되고, 도 7의 (f)와 같이 배열되면 C'(wi,wj,tk)=1로 설정되며, 그렇지 않은 경우 C(wi,wj,tk)=C'(wi,wj,tk)=0으로 설정된다.The third cross check function C (w i , w j , t k ), C '(w i , w j , t k ) is a binary value function that identifies whether the waveguides w i and w j intersect. If two wave guide when the when arranged as shown in (e) of Fig. 7 C (w i, w j , t k) = is set to 1, the arrangement as shown in (f) of Fig. 7 C '(w i, w j, set to t k) = 1 and otherwise is set to C (w i, w j, t k) = C '(w i, w j, t k) = 0.

이때, 수신/발신 도파관 포지션의 시계 방향 순서 규칙에 따르면, 상기 교차 체크 함수 중 어느 하나만이 활성화된다.At this time, according to the clockwise ordering rule of the reception / transmission waveguide position, only one of the cross check functions is activated.

라우터 소자 배치 모델링부(120)는 하기 수학식 5와 같이 정의된 목적 함수(즉, 교차 비용 최소화 함수)를 계산하여 도파관 교차를 최소화하는 도파관 교차 값을 산출한다.The router element placement modeling unit 120 calculates the objective function (i.e., the intersection cost minimization function) defined as Equation (5) to calculate a waveguide crossing value that minimizes the waveguide intersection.

<수학식 5>&Quot; (5) &quot;

Figure 112014071885626-pat00009
Figure 112014071885626-pat00009

이때, 각 광 스위치는 트리 노드의 파티션 타일 중 하나에 배치해야하므로, 하기 수학식 6과 같은 조건에 따른다.At this time, since each optical switch must be placed in one of the partition tiles of the tree node, the following conditions are satisfied.

<수학식 6>&Quot; (6) &quot;

Figure 112014071885626-pat00010
Figure 112014071885626-pat00010

그리고 하나의 파티션 타일에서 광 도파관은 연결이 끊겨선 안되므로, 각 파티션 타일 tj∈T이고, 각 광 도파관 wi∈W일 때 하기 수학식 7의 조건에 따른다.Since the optical waveguide in one partition tile is not disconnected, each partition tile t j ∈ T, and when each optical waveguide w i ∈ W, the condition of Equation (7) is satisfied.

<수학식 7>&Quot; (7) &quot;

Figure 112014071885626-pat00011
Figure 112014071885626-pat00011

한편, 파티션 타일들 사이에서, 입력 포트 ρ i 가 출력 포트 ρ i' 에 연결된 경우, 도파관 wi는 wi 또는 wi'에 연결되어 있어야 한다. 광 도파관 wi 및 wi' 간의 연결은 각 광 라우터에서 유일해야 한다. 또한, 포트 ρ i 가 하나의 광 터미네이터에 연결되어 있으면, 광 도파로 wi 는 종료되거나 광 도파로 wi 에 연결되어 있어야 한다.On the other hand, between partition tiles, when the input port ρ i is connected to the output port ρ i ' , the waveguide w i must be connected to w i or w i' . The optical waveguides w i and w i ' The connection between the optical routers must be unique in each optical router. Further, if the port p i is connected to one optical terminator, the optical waveguide w i must be terminated or connected to the optical waveguide w i .

이러한 조건에서, 두 인접 파티션 타일에서 인접한 광 도파관을 통한 수신/발신 포지션 쌍은 기하학적으로 정렬되어야한다.Under these conditions, the pairs of incoming / outgoing positions through adjacent optical waveguides in two adjacent partition tiles must be geometrically aligned.

하기 수학식 8의 첫 번째 수식에서는 타일 tj와 tj '가 인접한 경우, 도파관 wi 및 wi '사이의 연결 제약 조건을 나타낸다. 그리고 수학식 8의 두 번째 및 세 번째 수식에서는 광 라우터의 입력 포트에 인접한 광 도파관 wi와 출력 포트에 인접한 광 도파관 wi'이 각각 광 터미네이터에 연결되어 있음을 나타낸다.The first equation of Equation (8) represents a connection constraint between the waveguides w i and w i ' when the tiles t j and t j ' are adjacent to each other. And in the second and third equations in equation (8), optical waveguide w i adjacent to the input port of the optical router and optical waveguide w i ' adjacent to the output port are respectively connected to the optical terminator.

<수학식 8>&Quot; (8) &quot;

Figure 112014071885626-pat00012
Figure 112014071885626-pat00012

이상에서, l은 0 및 nw-1 사이의 정수이다.In the above, l is an integer between 0 and n w -1.

또한, 타일 tj와 tj ' 사이의 위치적 관계에 따른 d d'는 하기 수학식 9와 같이 정의된다.In addition, the tile t j and t j 'in accordance with the positional relationship between d and d' are to be defined as shown in Equation (9).

<수학식 9>&Quot; (9) &quot;

Figure 112014071885626-pat00013
Figure 112014071885626-pat00013

즉, tj가 tj '의 하측에 위치하면 d=0 및 d'=3nw이고, tj가 tj '의 좌측에 위치하면 d=nw 및 d'=4nw이고, tj가 tj '의 상측에 위치하면 d=2nw 및 d'=2nw이며, tj가 tj '의 우측에 위치하면 d=3nw 및 d'=nw이다.That is, if t j is located at the bottom of t j ' , d = 0 and d' = 3n w , and if t j is located at the left of t j ' , then d = n w And d '= a 4n w, t j is t j' when located at the upper side of the d = 2n w and d if located to the right of "a = 2n w, t j is t j 'd = 3n w and d' = n w .

광 스위치는 통과 도파관 및 드롭 도파관이 둘 다 배치된 파티션 타일에 배치될 수 있다. 만약 광 스위치 mi가 파티션 타일 tj에 배치된 경우, mi에 관련된 통과/드롭 도파관들은 스위칭을 위해 파티션 타일 tj를 반드시 통과해야한다. 또한, 교차 스위치 소자 또는 평행 스위치 소자 중 반드시 하나를 사용해야하므로, 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.The optical switch may be placed in a partition tile in which both the pass waveguide and the drop waveguide are disposed. If the optical switch m i is placed in the partition tile t j , the pass / drop waveguides associated with m i must pass through the partition tile t j for switching. Since one of the crossing switch element and the parallel switch element must be used, it can be expressed by the following equation (10).

<수학식 10>&Quot; (10) &quot;

Figure 112014071885626-pat00014
Figure 112014071885626-pat00014

이때, 각 광 스위치 m i M이고, 각 파티션 타일 t j T이다.At this time, each optical switch m i M , and each partition tile t j T.

외부의 입력 및 출력 포트들에 연결된 도파관들은 이상에서와 같은 제약을 받지 않을 수 있으므로, 이와는 다르게 처리된다. 즉, 하기 수학식 11에서와 같은 제약 조건을 갖는다.The waveguides connected to the external input and output ports may not be limited as described above and are handled differently. That is, it has the same constraint as in Equation (11).

<수학식 11>Equation (11)

Figure 112014071885626-pat00015
Figure 112014071885626-pat00015

여기서, 포트 ρ i 의 포지션을 나타내는 d i 는 하기 수학식 12와 같이 정의된다.Here, d i indicating the position of the port ρ i is defined by the following equation (12).

<수학식 12>&Quot; (12) &quot;

Figure 112014071885626-pat00016
Figure 112014071885626-pat00016

즉, 포트 ρ i 가 상측에 위치하면, di=0이고, 포트 ρ i 가 우측에 위치하면 di=1이고, 포트 ρ i 가 하측에 위치하면 di=2이며, 포트 ρ i 가 좌측에 위치하면 di=3이다.That is, if the port ρ i located above, d i = 0, and the port ρ i is when located on the right side, and d i = 1, port ρ i is when located at the lower side, and d i = 2, port ρ i is left , D i = 3.

한편, 광 스위치에 의한 추가적인 교차는 광 스위치의 배치에 영향을 받는다. 따라서, 앞서 설명한 도파관 교차를 최소화하는 도파관 교차 값을 산출하기 위한 목적 함수(즉, 교차 비용 최소화 함수)는, 도파관의 물리적 구성 및 광 스위치의 존재 및 배치로 인해 야기된 추가적인 교차를 고려하여야 한다.On the other hand, the additional crossing by the optical switch is influenced by the arrangement of the optical switches. Therefore, the objective function (i. E., The cross cost minimization function) for calculating the waveguide crossing value that minimizes the waveguide crossing described above should take into account the physical configuration of the waveguide and the additional crossing caused by the presence and placement of the optical switch.

예를 들어, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파티션 타일에서의 광 스위치에 의한 추가 교차를 설명하기 위한 도면이다.For example, FIG. 8 is a view for explaining an additional intersection by an optical switch in a partition tile according to an embodiment of the present invention.

첫 번째로, 도파관에 의해 블로킹된 평행 스위치 소자의 경우, 도 8의 (a)에서와 같이 도파관

Figure 112014071885626-pat00017
Figure 112014071885626-pat00018
가 도파관 wj에 의해 차단되었을 경우 발생한다. 이때, A(mi,wj,tk)는 도파관
Figure 112014071885626-pat00019
가 wj가 아니고,
Figure 112014071885626-pat00020
가 wj가 아닐 때, 상기 첫 번째 경우를 나타내는 함수이다. 추가적인 교차가 발생된 경우 A(mi,wj,tk)=1이고, 다른 경우 A(mi,wj,tk)=0 이다.First, in the case of a parallel switch element blocked by a waveguide, as shown in FIG. 8 (a)
Figure 112014071885626-pat00017
Wow
Figure 112014071885626-pat00018
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; wj . &Lt; / RTI &gt; At this time, A (m i , w j , t k )
Figure 112014071885626-pat00019
Is not w j ,
Figure 112014071885626-pat00020
Is not a w j , it is a function representing the first case. A (m i , w j , t k ) = 1, and A (m i , w j , t k ) = 0 otherwise.

두 번째로, 교차된 도파관들에 의해 블로킹되며 공유 도파관을 갖는 두 평행 스위치 소자의 경우, 도 8의 (b)에서와 같은 경우 발생된다. 즉, 광 스위치 mi 및 mi'와 관련된 도파관인

Figure 112014071885626-pat00021
,
Figure 112014071885626-pat00022
,
Figure 112014071885626-pat00023
Figure 112014071885626-pat00024
이 배치되었을 때,
Figure 112014071885626-pat00025
Figure 112014071885626-pat00026
사이에 wj 및 wj'가 배치되면 추가적인 교차가 발생된다. 이때, A'(m i ,m i' ,w j ,w j' ,t k )는 하기 수학식 13의 조건들을 만족시킬 때 상기 두 번째 경우를 나타내는 함수이다.Secondly, in the case of two parallel switch elements that are blocked by crossed waveguides and have a shared waveguide, this occurs as in FIG. 8 (b). That is, the waveguide associated with the optical switches m i and m i '
Figure 112014071885626-pat00021
,
Figure 112014071885626-pat00022
,
Figure 112014071885626-pat00023
And
Figure 112014071885626-pat00024
When deployed,
Figure 112014071885626-pat00025
And
Figure 112014071885626-pat00026
Additional intersections occur when w j and w j ' are disposed. In this case, A '( m i , m i' , w j , w j ' , t k ) is a function indicating the second case when the condition of the following equation (13) is satisfied.

<수학식 13>&Quot; (13) &quot;

Figure 112014071885626-pat00027
Figure 112014071885626-pat00027

이때, 추가적인 교차가 발생되면 A'(m i ,m i ' ,w j ,w j ' ,t k )=1 이고, 그 이외에는 A'(m i ,m i' ,w j ,w j' ,t k )=0 이다.At this time, when an additional cross-generation A '(m i, m i ', w j, w j ', t k) = 1 , and that other than A' (m i, m i ', w j, w j', t k ) = 0.

세 번째로, 다른 평행 스위치 소자에 의해 블로킹된 평행 스위칭 소자의 경우, 도 8의 (c)에서와 같은 경우 발생된다. 즉, 도파관

Figure 112014071885626-pat00028
,
Figure 112014071885626-pat00029
,
Figure 112014071885626-pat00030
Figure 112014071885626-pat00031
가 도 8(c)와 같이 배치되면 광 스위치들은 서로에 의해 차단되며 추가적인 교차가 발생된다. 이때, A''(m i ,m i ' ,t j )는 하기 수학식 14와 같은 조건을 만족시킬 때 상기 세 번째 경우를 나타내는 함수이다.Thirdly, in the case of a parallel switching element blocked by another parallel switching element, it occurs in the case as in Fig. 8 (c). That is,
Figure 112014071885626-pat00028
,
Figure 112014071885626-pat00029
,
Figure 112014071885626-pat00030
And
Figure 112014071885626-pat00031
8 (c), the optical switches are blocked by each other and additional crossing occurs. At this time, A '' ( m i , m i ' , t j ) is a function representing the third case when the following condition is satisfied.

<수학식 14>&Quot; (14) &quot;

Figure 112014071885626-pat00032
Figure 112014071885626-pat00032

이때, 추가적인 교차가 발생되면 A''(m i ,m i ' ,t j )=1 이고, 그 이외에는 A''(m i ,m i' ,t j )=0 이다.At this time, when an additional intersection occurs, A '' ( m i , m i ' , t j ) = 1 and A'' ( m i , m i' , t j )

이상에서와 같은, 추가적인 교차 비용을 평가하기 위한 목적 함수는 다음 수학식 15와 같이 수정된다.As described above, the objective function for evaluating the additional crossing cost is modified as shown in the following equation (15).

<수학식 15>&Quot; (15) &quot;

Figure 112014071885626-pat00033
Figure 112014071885626-pat00033

여기서, WC k 는 도파관 쌍의 구성에 따른 교차 비용을 의미하고,

Figure 112014071885626-pat00034
,
Figure 112014071885626-pat00035
Figure 112014071885626-pat00036
은 앞서 설명한 세 가지 경우(case)에 따른 광 스위치들에 의해 야기된 추가적인 교차 비용을 의미한다.Here, WC k denotes a crossing cost according to the configuration of the waveguide pair,
Figure 112014071885626-pat00034
,
Figure 112014071885626-pat00035
And
Figure 112014071885626-pat00036
Means the additional crossing cost caused by the optical switches according to the three cases described above.

상기 수학식 15에 나타낸 각각의 교차 비용은 다음 수학식 16을 통해 계산된다.Each intersection cost shown in Equation (15) is calculated by the following Equation (16).

<수학식 16>&Quot; (16) &quot;

Figure 112014071885626-pat00037
Figure 112014071885626-pat00037

이와 같은 도파관 및 광 스위치에 의한 도파관 교차 비용을 산출한 결과에 따라, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 각 트리 노드의 타일에 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터를 배치한다.According to the result of calculating the waveguide crossing cost by the waveguide and the optical switch, the router element placement modeling unit 120 arranges the optical switch, the optical waveguide and the optical terminator in the tile of each tree node.

파티션 타일의 개수는 트리의 깊이 이외에도 현재 노드 및 그 자녀 노드의 ILP 복잡성에 영향을 미친다. 즉, 파티션 타일의 개수가 증가함에 따라 현재 노드에서의 ILP 복잡성이 커지며, 파티션 타일의 개수가 감소함에 따라 트리의 깊이는 증가된다. 또한, 트리 노드의 분할은 리프 노드(leaf node)를 얻기 위해 세로 및 가로 방향 둘 다에서 수행되어야한다.The number of partition tiles affects the ILP complexity of the current node and its child nodes in addition to the depth of the tree. That is, as the number of partition tiles increases, ILP complexity at the current node increases, and the depth of the tree increases as the number of partition tiles decreases. In addition, the partitioning of a tree node must be performed in both the vertical and horizontal directions to obtain a leaf node.

예를 들어, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 하기 도 9에서와 같이 트리의 각 노드를 복수의 타일로 분할한다.For example, the router element placement modeling unit 120 divides each node of the tree into a plurality of tiles as shown in FIG.

도 9는 본 발명의 일 실시예에서 각 노드를 복수의 타일로 분할하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram for explaining a process of dividing each node into a plurality of tiles according to an embodiment of the present invention.

도 9에서는 4 way 트리를 생성하기 위하여 각 노드를 4개의 타일로 분할한 것을 나타내었다. 이때, 도 9의 (a)에서는 루트 노드(root node)를 나타내었고, 도 9의 (b)에서는 자식 노드(child node)를 나타내었다.In FIG. 9, each node is divided into four tiles in order to generate a 4-way tree. 9 (a) shows a root node, and FIG. 9 (b) shows a child node.

먼저, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 루트 노드에서 ILP 복잡성 문제는 포트 및 광 스위치의 포지션을 미리 정의하여 타일을 분할하여 해결한다.First, the router element placement modeling unit 120 solves the problem of ILP complexity at the root node by dividing tiles by predefining the positions of ports and optical switches.

이때, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 도파관의 입력/출력 포트의 위치를 결정하되, 도 9의 (a)에서 'tile 1'의 좌측에 입력 포트가 위치하면 출력 포트는 'tile 4'의 우측에 위치하도록 결정한다. 참고로 그 반대의 경우도 마찬가지이다.At this time, the router element modeling unit 120 determines the position of the input / output port of the waveguide. If the input port is located on the left side of 'tile 1' in FIG. 9A, It is determined to be located on the right side. The opposite is true for the reference.

그리고 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 통과 도파관의 입력 포트가 드롭 도파관의 출력 포트와 동일한 타일에 광 스위치를 배치한다. 만약 이러한 조건에 부합된 타일이 존재하지 않는 경우 통과 도파관의 입력 포트를 갖는 인접한 타일에 광 스위치를 배치한다. 이러한 방식에서는 도파관의 비차단 특성(non-blocking characteristic)을 이용하여 사전에 광 스위치를 배치할 수 있으며, 이에 따라 루트 노드에서 ILP 복잡도를 감소시킬 수 있다.The router element placement modeling unit 120 places the optical switch in the same tile as the input port of the passing waveguide and the output port of the drop waveguide. If there is no tile that meets these conditions, place the optical switch on an adjacent tile with the input port of the pass waveguide. In this way, the optical switch can be arranged in advance using the non-blocking characteristic of the waveguide, thereby reducing the ILP complexity at the root node.

한편, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 루트 노드 이외의 나머지 노드에서의 ILP 복잡성 문제는 다음과 같은 과정을 통해 해결한다.Meanwhile, the router element placement modeling unit 120 solves the ILP complexity problem in the remaining nodes other than the root node through the following process.

구체적으로 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 도 9의 (b)에서와 같이 자식 노드는 메시 타일의 파티션 구조로 분할할 수 있다. 도 9의 (b)에서는 2×2 메시 타일 구조로 분할된 것을 예로서 나타내었다.Specifically, the router element placement modeling unit 120 can divide the child node into a mesh tile partition structure as shown in FIG. 9 (b). FIG. 9 (b) shows an example in which the mesh is divided into a 2 × 2 mesh tile structure.

한편, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 사전에 설정된 베이직 셀로 구축될 수 있는 리프 노드에 도달할 때까지 이러한 분할을 진행한다.On the other hand, the router element placement modeling unit 120 proceeds this partitioning until it reaches a leaf node that can be constructed with a preset basic cell.

구체적으로, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 리프 노드를 구성하는 베이직 셀의 구성을 나타낸 도면이다.10 is a diagram illustrating a configuration of a basic cell constituting a leaf node according to an embodiment of the present invention.

도 10에 도시한 바와 같이, 베이직 셀은 하나의 타일에 포함되는 광 도파관 및 광 스위치 중 적어도 하나가 배치된 단위 구조로 설정될 수 있다. 이때, 도 10에서와 같이, 베이직 셀은 각각 상이한 소자의 배치 또는 상이한 라우팅 구조를 나타낼 수 있도록 복수의 종류로 구성된다.As shown in FIG. 10, the basic cell may be set to a unit structure in which at least one of the optical waveguide and the optical switch included in one tile is disposed. At this time, as shown in FIG. 10, the basic cells are composed of a plurality of kinds so as to respectively represent different device arrangements or different routing structures.

라우터 소자 배치 모델링부(120)는 리프 노드까지 분할된 광 라우터의 소자들을 베이직 셀을 이용하여 표현하여 하나의 광 라우터의 전체 레이 아웃을 생성할 수 있다.The router element placement modeling unit 120 may represent the elements of the optical router divided up to leaf nodes using a basic cell to generate a full layout of one optical router.

또한, 라우터 소자 배치 모델링부(120)는 광학 네트워크 온 칩에 포함된 모든 광 라우터들 별로 이상에서와 같은 절차를 따라 생성된 레이 아웃들을 결합하여 광학 네트워크 온 칩의 전체 레이 아웃을 생성하여 제공하는 것도 가능하다.In addition, the router element placement modeling unit 120 combines layouts generated according to procedures as described above for all optical routers included in the optical network-on-chip to generate and provide an overall layout of the optical network- It is also possible.

이하 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of designing an optical router according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 라우터 설계 방법을 설명하기 위한 순서도이다.11 is a flowchart illustrating a method of designing an optical router according to an embodiment of the present invention.

먼저, 광학 네트워크 온 칩의 토폴로지 구조 정보, 사용하도록 설정된 라우팅 알고리즘 정보 및 트래픽 패턴 정보를 획득한다(S110).First, topology structure information of the optical network-on-chip, routing algorithm information set for use, and traffic pattern information are obtained (S110).

그런 다음, 이전 단계에서 획득한 정보에 기초하여 광 라우터를 구성하는 복수의 종류의 소자 간에 라우팅 연결 관계를 스위칭 그래프 형태로 특성화한다(S120).Then, based on the information obtained in the previous step, the routing connection relationship between the plurality of types of devices constituting the optical router is characterized in the form of a switching graph (S120).

그런 후 상기 특성화를 통해 산출된 광 도파관 연결성 및 광 스위치 정보(즉, 라우터 연결성 정보)를 생성한다(S130).Then, the optical waveguide connectivity and optical switch information (i.e., router connectivity information) calculated through the characterization are generated (S130).

다음으로, 상기 광 도파관 연결성 및 광 스위치 정보에 기초하여 삽입 손실을 최소화하기 위한 배치 및 라우팅을 결정한다(S140).Next, the arrangement and routing for minimizing the insertion loss are determined based on the optical waveguide connectivity and the optical switch information (S140).

그런 다음, 결정된 광 라우터 소자들의 배치 및 라우팅에 기초하여 광 라우터의 물리적 레이아웃을 생성하여 제공한다(S150).The physical layout of the optical router is then generated and provided based on the placement and routing of the determined optical router elements (S150).

이상, 단계 (S110) 내지 단계 (S150)까지에서 각 단계들의 처리는 상기 도 1 내지 도 10에서 설명한 광 라우터 설계 장치(100)의 라우터 연결 특성화부(110) 및 라우터 소자 배치 모델링부(120)를 통한 광 라우터 설계 방식과 대응되는 방법을 모두 포함할 수 있다.The processes of the steps S110 to S150 are the same as those of the router connection characterization unit 110 and the router element layout modeling unit 120 of the optical router design apparatus 100 described with reference to FIGS. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; and / or &lt; / RTI &gt;

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.One embodiment of the present invention may also be embodied in the form of a recording medium including instructions executable by a computer, such as program modules, being executed by a computer. Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. In addition, the computer-readable medium may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes any information delivery media, including computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transport mechanism.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100: 광 라우터 설계 장치
110: 라우터 연결 특성화부
120: 라우터 소자 배치 모델링부
100: Optical router design device
110: router connection characterization unit
120: Router element placement modeling unit

Claims (12)

복수의 광 라우터를 포함하는 광학 네트워크 온 칩(Optical Network-on-Chip, ONoC)의 광 라우터 설계 장치에 있어서,
광학 네트워크 온 칩의 토폴로지, 라우팅 알고리즘 및 트래픽 패턴에 기초하여 광 라우터의 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터 사이의 연결 관계에 따른 특성화 그래프를 생성하고, 상기 특성화 그래프에서의 각 에지(edge)의 비용 및 상기 에지를 통한 데이터 플로우량에 따른 최소 비용 플로우 문제의 최소화 해(solution)를 검출하고, 상기 최소화 해에 따른 상기 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터에 대한 라우터 연결성 정보를 생성하는 라우터 연결 특성화부; 및
상기 라우터 연결성 정보에 기초하여 정수 선형 계획(integer linear programming, ILP) 기법에 따른 트리 그래프를 생성하고, 상기 트리 그래프에서 각 트리 노드를 복수의 타일(tile)로 분할하고, 기설정된 교차 비용 최소화 함수를 통해 상기 각 트리 노드의 광 도파관의 구성에 따른 교차 비용 및 광 스위치 배치에 따른 추가적인 교차 비용을 최소화하는 해를 검출하고, 상기 최소화하는 해에 기초하여 상기 타일 별로 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터를 배치하여 물리적인 레이아웃을 생성하는 라우터 소자 배치 모델링부를 포함하는 광 라우터 설계 장치.
1. An optical router design apparatus for an optical network-on-chip (ONoC) including a plurality of optical routers,
A characteristic graph according to a connection relationship between an optical switch, an optical waveguide, and an optical terminator of an optical router is generated based on a topology of the optical network-on-chip, a routing algorithm and a traffic pattern, and a cost of each edge And a router connection characterization unit for detecting a solution of a minimum cost flow problem according to a data flow through the edge and generating router connectivity information for the optical switch, optical waveguide, and optical terminator according to the minimization, ; And
Generating a tree graph according to an integer linear programming (ILP) technique based on the router connectivity information, dividing each tree node into a plurality of tiles in the tree graph, Detecting a solution that minimizes an intersection cost according to the configuration of the optical waveguide of each of the tree nodes and an additional intersection cost due to the arrangement of the optical switches through the optical switch, the optical waveguide and the optical terminator, And a router element placement modeling unit for generating a physical layout by arranging the router element placement modeling unit.
제 1 항에 있어서,
상기 라우터 연결 특성화부는,
상기 토폴로지에 기초하여 광 라우터의 포트 수를 결정하고,
상기 라우팅 알고리즘에 기초하여 요구되는 스위칭을 식별하고,
상기 트래픽 패턴에 기초하여 입력 및 출력 포트 쌍 사이에서의 스위칭 활동을 계산하는 광 라우터 설계 장치.
The method according to claim 1,
The router connection characterization unit,
Determines the number of ports of the optical router based on the topology,
Identify the required switching based on the routing algorithm,
And calculates switching activity between the input and output port pairs based on the traffic pattern.
제 1 항에 있어서,
상기 특성화 그래프는 스위칭 그래프인 광 라우터 설계 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the characterization graph is a switching graph.
제 1 항에 있어서,
상기 라우터 소자 배치 모델링부는,
하나의 타일에 포함되는 광 스위치 및 광 도파관 중 적어도 하나의 배치 및 상이한 라우팅 구조를 표현하는 기설정된 복수의 베이직 셀을 이용하여 상기 교차 비용 최소화 함수의 해에 따른 물리적 레이아웃을 생성하는 광 라우터 설계 장치.
The method according to claim 1,
The router element placement modeling unit,
An optical router designing apparatus for generating a physical layout according to a solution of the intersection cost minimizing function by using a predetermined plurality of basic cells representing at least one of an optical switch and an optical waveguide included in one tile and a different routing structure .
제 1 항에 있어서,
상기 라우터 소자 배치 모델링부는,
광 도파관 쌍 사이의 구성의 종류를 기설정된 교차 체크 함수를 통해 식별하되, 상기 구성의 종류 별로 기설정된 교차 값에 기초하여 상기 각 트리 노드의 광 도파관의 구성에 따른 교차 비용을 산출하는 광 라우터 설계 장치.
The method according to claim 1,
The router element placement modeling unit,
An optical router design that identifies the type of configuration between optical waveguide pairs through a predetermined cross check function and calculates a crossing cost according to the configuration of the optical waveguide of each tree node based on a predetermined crossing value for each type of the configuration Device.
제 1 항에 있어서,
상기 라우터 소자 배치 모델링부는,
광 도파관의 수신 및 발신 포지션에 기초하여 광 도파관의 교차 수를 산출하되,
상기 타일 중 인접한 타일에서 광 도파관을 통한 수신 및 발신 포지션을 기하학적으로 정렬하여 각 타일의 위치적 관계를 정의하는 광 라우터 설계 장치.
The method according to claim 1,
The router element placement modeling unit,
Calculating a crossing number of the optical waveguide based on the reception and the outgoing position of the optical waveguide,
Wherein the positional relationship of each tile is defined by geometrically aligning the reception and transmission positions through the optical waveguide in adjacent tiles among the tiles.
광학 네트워크 온 칩(Optical Network-on-Chip, ONoC)의 광 라우터 설계 장치를 통한 광 라우터 설계 방법은,
광학 네트워크 온 칩의 토폴로지, 라우팅 알고리즘 및 트래픽 패턴에 기초하여 광 라우터의 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터 사이의 연결 관계에 따른 특성화 그래프를 생성하는 단계;
상기 특성화 그래프에서의 각 에지(edge)의 비용 및 상기 에지를 통한 데이터 플로우량에 따른 최소 비용 플로우 문제의 최소화 해(solution)를 검출하는 단계;
상기 최소화 해에 따른 상기 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터에 대한 라우터 연결성 정보를 생성하는 단계;
상기 라우터 연결성 정보에 기초하여 정수 선형 계획(integer linear programming, ILP) 기법에 따른 트리 그래프를 생성하는 단계;
기설정된 교차 비용 최소화 함수를 통해 상기 트리 그래프에서의 각 트리 노드의 광 도파관의 구성에 따른 교차 비용 및 광 스위치 배치에 따른 추가적인 교차 비용을 최소화하는 해를 검출하는 단계; 및
상기 각 트리 노드를 복수의 타일로 분할한 후, 상기 최소화하는 해에 기초하여 상기 타일 별로 광 스위치, 광 도파관 및 광 터미네이터를 배치하여 물리적인 레이아웃을 생성하는 단계를 포함하는 광 라우터 설계 방법.
An optical router design method using an optical network-on-chip (ONoC) optical router design apparatus,
Generating a characteristic graph according to a connection relationship between an optical switch, an optical waveguide, and an optical terminator of an optical router based on a topology of the optical network-on-chip, a routing algorithm, and a traffic pattern;
Detecting a solution of a minimum cost flow problem according to the cost of each edge in the characterization graph and the data flow through the edge;
Generating router connectivity information for the optical switch, optical waveguide, and optical terminator according to the minimization solution;
Generating a tree graph according to an integer linear programming (ILP) scheme based on the router connectivity information;
Detecting a solution that minimizes an intersection cost according to the configuration of the optical waveguide of each tree node in the tree graph and an additional intersection cost due to the optical switch arrangement through a predetermined intersection cost minimizing function; And
Dividing each tree node into a plurality of tiles, and arranging optical switches, optical waveguides, and optical terminators for each of the tiles based on the minimizing solution to generate a physical layout.
제 7 항에 있어서,
상기 토폴로지에 기초하여 광 라우터의 포트 수를 결정하고,
상기 라우팅 알고리즘에 기초하여 요구되는 스위칭을 식별하고,
상기 트래픽 패턴에 기초하여 입력 및 출력 포트 쌍 사이에서의 스위칭 활동을 계산하는 광 라우터 설계 방법.
8. The method of claim 7,
Determines the number of ports of the optical router based on the topology,
Identify the required switching based on the routing algorithm,
And calculating switching activity between the input and output port pairs based on the traffic pattern.
제 7 항에 있어서,
상기 특성화 그래프는 스위칭 그래프인 광 라우터 설계 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the characterization graph is a switching graph.
제 7 항에 있어서,
상기 물리적인 레이아웃을 생성하는 단계는,
하나의 타일에 포함되는 광 스위치 및 광 도파관 중 적어도 하나의 배치 및 상이한 라우팅 구조를 표현하는 기설정된 복수의 베이직 셀을 이용하여 상기 교차 비용 최소화 함수의 해에 따른 물리적 레이아웃을 생성하는 광 라우터 설계 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the step of generating the physical layout comprises:
An optical router design method for generating a physical layout according to a solution of the intersection cost minimization function using a plurality of basic cells which are predetermined and which represent different arrangements of optical switches and optical waveguides included in one tile and different routing structures .
제 7 항에 있어서,
상기 최소화하는 해를 검출하는 단계는,
광 도파관 쌍 사이의 구성의 종류를 기설정된 교차 체크 함수를 통해 식별하되, 상기 구성의 종류 별로 기설정된 교차 값에 기초하여 상기 각 트리 노드의 광 도파관의 구성에 따른 교차 비용을 산출하는 광 라우터 설계 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the detecting the minimizing solution comprises:
An optical router design that identifies the type of configuration between optical waveguide pairs through a predetermined cross check function and calculates a crossing cost according to the configuration of the optical waveguide of each tree node based on a predetermined crossing value for each type of the configuration Way.
제 7 항에 있어서,
광 도파관의 수신 및 발신 포지션에 기초하여 광 도파관의 교차 수를 산출하되,
상기 타일 중 인접한 타일에서 광 도파관을 통한 수신 및 발신 포지션을 기하학적으로 정렬하여 각 타일의 위치적 관계를 정의하는 광 라우터 설계 방법.
8. The method of claim 7,
Calculating a crossing number of the optical waveguide based on the reception and the outgoing position of the optical waveguide,
A method of designing an optical router that defines a positional relationship between tiles by geometrically aligning reception and transmission positions through optical waveguides in adjacent tiles among the tiles.
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