本發明專利技術涉及一種分布式光交換互連集成芯片及互連系統，適用于片上高性能計算系統、數據中心光交換互連和光通信網絡技術領域。本發明專利技術的技術方案為：該集成芯片具有多個直接或間接相連的節點，每個節點包括：光交換路由連接單元，其一側具有多個內部輸入/輸出端口，另一側具有多個外部輸入/輸出端口；激光器陣列，與光交換路由連接單元的內部輸入端口相連，用于將電信號轉化為光信號并發送給光交換路由連接單元；探測器陣列，與光交換路由連接單元的內部輸出端口相連，用于將光交換路由連接單元輸出的光信號轉化為電信號；光交換路由連接單元的外部輸入/輸出端口為其所在節點的輸入/輸出端口，節點的輸出端口通過光波導連接另一節點的輸入端口。節點的輸入端口。節點的輸入端口。
【技術實現步驟摘要】
分布式光交換互連集成芯片及互連系統
[0001]本專利技術涉及一種分布式光交換互連集成芯片及互連系統，適用于片上高性能計算系統、數據中心光交換互連和光通信網絡
技術介紹
[0002]隨著云計算、數據中心、物聯網、虛擬現實、高清短視頻等應用的飛速增長，全球數據量呈爆炸式增長，需要不斷擴大高性能計算和數據中心的基礎設施，其中大容量高速交換芯片是其中的一個核心技術。
[0003]目前，數據中心和高性能計算中服務器之間的數據傳輸已大規模采用光互連技術，服務器之間光互連及片上光互連的研究主要集中在光互連網絡中的光信息收發和傳輸，而網絡交換還是基于電交換芯片，一方面需要高能耗、大時延的光電光轉換，需要通過Co
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Packaged Optics(CPO)將電交換芯片與外部光收發陣列芯片進行光電融合封裝集成，另一方面需要頂級半導體工藝制造。
[0004]目前頂級電交換芯片的交換容量為25.6～51.2Tbps，需要采用5～7nm的頂級半導體工藝。隨著摩爾定律逼近極限，電交換芯片容量的進一步提升受到了極大的制約。光交換技術成為后摩爾時代數據中心和高性能計算系統繼續提升性能的一種手段。
[0005]另外，為了處理海量數據，人工智能等數據處理模型和算法不斷升級換代，對計算系統算力的要求也越來越高。由于摩爾定律的限制，無法在單芯片上集成越來越多晶體管來維系算力的持續提高。基于晶圓級先進封裝技術，集成多個獨立制造的模塊化功能芯粒(Chiplet)的晶圓級片上系統是延續摩爾定律的重要手段。在此情況下，高性能計算系統性能提高的瓶頸，不在于單個計算節點性能的限制，而是在于多個計算節點間信息的傳輸和交換容量，因而芯粒之間的大容量片上交換互連將成為構建更強大的計算系統的關鍵。
技術實現思路
[0006]本專利技術要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供一種分布式光交換互連集成芯片及基于該光交換互連集成芯片的通信或計算節點間的互連系統。
[0007]本專利技術所采用的技術方案是：一種分布式光交換互連集成芯片，其特征在于，具有多個直接或間接相連的節點，每個節點包括：
[0008]光交換路由連接單元，其一側具有多個內部輸入/輸出端口，另一側具有多個外部輸入/輸出端口；
[0009]激光器陣列，與所述光交換路由連接單元的內部輸入端口相連，用于將電信號轉化為光信號并發送給光交換路由連接單元；
[0010]探測器陣列，與所述光交換路由連接單元的內部輸出端口相連，用于將光交換路由連接單元輸出的光信號轉化為電信號；
[0011]所述光交換路由連接單元的外部輸入/輸出端口為其所在節點的輸入/輸出端口，節點的輸出端口通過光波導連接另一節點的輸入端口。
[0012]每個節點具有2個所述光交換路由連接單元，分別為激光器側路由連接單元和探測器側路由連接單元，所述光交換路由連接單元的任意一對內部端口和外部端口之間僅在某一個特定波長處有最小的損耗；
[0013]其中激光器側路由連接單元的兩側分別為內部輸入端口和外部輸出端口；所述探測器側路由連接單元的兩側分別為內部輸出端口和外部輸入端口。
[0014]所述光交換路由連接單元采用循環尋址陣列波導光柵路由器或蝕刻衍射光柵路由器。
[0015]所述激光器陣列的每個單元包含一個波長可切換/可調激光器，并集成了一個腔外高速調制器。
[0016]所述激光器陣列，包括：
[0017]腔內波長路由器，其任意一對輸入輸出端口組合僅在某一個特定波長處有最小的損耗；
[0018]端口選擇半導體光放大器陣列，其一端制為反射面，另一端連接所述腔內波長路由器的輸入端；
[0019]波長選擇半導體光放大器陣列，其一端連接所述腔內波長路由器的輸出端，另一端設置部分反射器；
[0020]任一端口選擇半導體光放大器的反射面和任一波長選擇半導體光放大器的部分反射器之間形成光學諧振腔；
[0021]通過對腔內波長路由器任意一對輸入輸出端口組合對應的端口選擇半導體光放大器和波長選擇半導體光放大器施加電流，從而在相應光學諧振腔的部分反射器端輸出與該輸入輸出端口組合對應的特定波長的激光。
[0022]所述激光器陣列能根據輸入的電信號向所述光交換路由連接單元一側的內部輸入端口發送指定波長的光信號，該內部輸入端口和指定波長與另一側對應輸出目標的外部輸出端口輸出適配，以使光信號從該對應輸出目標的端口輸出；
[0023]所述光交換路由連接單元一側的外部輸入端口接收外部輸入的任意波長的光信號，該光信號從光交換路由連接單元另一側與該外部輸入端口和任意波長適配的內部輸出端輸出至探測器陣列，探測器陣列將光信號轉化為電信號。
[0024]所述光波導采用平面光波導或光纖，用于片內節點連接或片間節點連接。
[0025]該網絡單元上的所有節點呈環形分布，節點之間經沿環形布置的光波導相連。
[0026]所述激光器陣列電連接激光器驅動，所述探測器陣列電連接探測器驅動，激光器驅動和探測器驅動共同電連接電分組交換芯片。
[0027]一種分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：具有若干所述的分布式光交換互連集成芯片作為片上互連網絡單元構成多單元擴展集成芯片，每個所述互連網絡單元的節點中包含至少一個跨單元節點，該跨單元節點經光波導與其余互連網絡單元上的跨單元節點直接或間接相連。
[0028]若干分布式光交換互連網絡單元呈環形分布，分布式光交換互連網絡單元中靠內側節點為跨單元節點Ⅰ，靠外側節點為跨單元節點Ⅱ，各互連網絡單元的跨單元節點Ⅰ之間經沿環形布置的光波導相連；各互連網絡單元的跨單元節點Ⅱ之間經沿環形布置的光波導相連。
[0029]若干相同的分布式光交換互連網絡單元呈環形分布，分布式光交換互連網絡單元中每個節點為跨單元節點，各互連網絡單元中相同位置的跨單元節點之間經沿環形布置的光波導相連，構成多個全連接網絡，并通過多層波導和層間耦合結構避免多個全連接網絡之間的波導交叉。
[0030]所述芯片的高速數據輸入/輸出電端口、片上交換網絡控制端口、偏置電流/電壓端口等優選采用BGA封裝，每個片上節點對應的外部電接口與外部計算、存儲和I/O等電芯片或芯粒群的電輸入/輸出端口通過晶圓級先進封裝技術連接，構成片上多芯粒光交換互連計算系統。
[0031]所述分布式光交換互連集成芯片包含光纖輸入/輸出端口，與片內部分激光器和探測器通過光耦合結構連接，用于片間光交換互連擴展。
[0032]一種分布式光交換互連系統，其特征在于：其內包含所述的分布式光交換互連集成芯片，外圍電計算或通信芯片或芯粒群，所述電芯片的輸入輸出端口分別與所述分布式光交換互連集成芯片的輸出輸入端口通過晶圓級先進封裝提供電互連。
[0033]所述分布式光交換網絡節點的調制器和探測器通過高速輸入/輸出電端口與發射/接收驅動芯片連接，再連接到電分組交換芯片，所述電分組交換芯片包含在片上計算系統中計算芯片的收發控制器內。
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【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種分布式光交換互連集成芯片，其特征在于，具有多個直接或間接相連的節點，每個節點包括：光交換路由連接單元，其一側具有多個內部輸入/輸出端口，另一側具有多個外部輸入/輸出端口；激光器陣列，與所述光交換路由連接單元的內部輸入端口相連，用于將電信號轉化為光信號并發送給光交換路由連接單元；探測器陣列，與所述光交換路由連接單元的內部輸出端口相連，用于將光交換路由連接單元輸出的光信號轉化為電信號；所述光交換路由連接單元的外部輸入/輸出端口為其所在節點的輸入/輸出端口，節點的輸出端口通過光波導連接另一節點的輸入端口。2.根據權利要求1所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：每個節點具有2個所述光交換路由連接單元，分別為激光器側路由連接單元和探測器側路由連接單元，所述光交換路由連接單元的任意一對內部端口和外部端口之間僅在某一個特定波長處有最小的損耗；其中激光器側路由連接單元的兩側分別為內部輸入端口和外部輸出端口；所述探測器側路由連接單元的兩側分別為內部輸出端口和外部輸入端口。3.根據權利要求1或2所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：所述光交換路由連接單元采用循環尋址陣列波導光柵路由器或蝕刻衍射光柵路由器。4.根據權利要求1或2所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：所述激光器陣列的每個單元包含一個波長可切換/可調激光器，并集成了一個腔外高速調制器。5.根據權利要求1或2所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于，所述激光器陣列，包括：腔內波長路由器，其任意一對輸入輸出端口組合僅在某一個特定波長處有最小的損耗；端口選擇半導體光放大器陣列，其一端制為反射面，另一端連接所述腔內波長路由器的輸入端；波長選擇半導體光放大器陣列，其一端連接所述腔內波長路由器的輸出端，另一端設置部分反射器；任一端口選擇半導體光放大器的反射面和任一波長選擇半導體光放大器的部分反射器之間形成光學諧振腔；通過對腔內波長路由器任意一對輸入輸出端口組合對應的端口選擇半導體光放大器和波長選擇半導體光放大器施加電流，從而在相應光學諧振腔的部分反射器端輸出與該輸入輸出端口組合對應的特定波長的激光。6.根據權利要求1或2所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：所述激光器陣列能根據輸入的電信號向所述光交換路由連接單元一側的內部輸入端口發送指定波長的光信號，該內部輸入端口和指定波長與另一側對應輸出目標的外部輸出端口輸出適配，以使光信號從該對應輸出目標的端口輸出；所述光交換路由連接單元一側的外部輸入端口接收外部輸入的任意波長的光信號，該光信號從光交換路由連接單元另一側與該外部輸入端口和任意波長適配的內部輸出端輸
出至探測器陣列，探測器陣列將光信號轉化為電信號。7.根據權利要求1或2所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：所述光波導采用平面光波導或光纖，用于片內節點連接或片間節點連接。8.根據權利要求1或2所述的分布式光交換互連集成芯片，其特征在于：該網絡單元上的所有節點呈環形分布，節...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙佳生，何建軍，
申請(專利權)人：杭州蘭特普光電子技術有限公司，
類型：發明
國別省市：
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