片上光互连器件的智能化设计研究进展

光互连技术相比于电互连等传统通信技术具有带宽大、能耗低、抗干扰等系列优势,正在逐渐成为短距离、甚短距离数据终端间通信的重要手段和发展趋势.基于绝缘体上硅的片上光互连技术作为光互连在芯片尺度上的实现,在一系列复用技术的支持下得到了非常广泛的应用.智能设计方法具有原理直观、设计自由度高、材料兼容性好等优点.随着智能设计方法在片上光互连器件设计活动中的广泛应用,目前片上光互连器件逐渐呈现出超紧凑化、可调控化、系统集成化等重要发展趋势.本文首先归纳了几种目前最常用的片上光互连器件的智能设计方法,然后详细分析了智能化设计的片上光互连器件的几个重大研究进展与趋势,最后对未来智能化设计的片上光互连器件的发展进行了展望.

基于硅光子的片上光互连技术研究

随着芯片半导体工艺的发展,芯片集成度不断提高,单个芯片上所能容纳的计算核心数越来越多,使得核心间的数据移动效率成为制约处理器芯片整体性能的关键因素。光互连技术采用波导方式传输数据,信号传输的损耗低、速度快、延迟小,它通过采用波分复用(WDM)技术可以达到很高的带宽密度,有助于解决片上通信的瓶颈问题。面向未来片上高性能互连的需求,深入分析了电互连技术的现状与局限性,研究并分析了基于硅光子的光互连技术发展现状和趋势,对比了多种典型光互连架构的特点及优缺点,总结了未来硅光子互连技术需要解决的5个重要问题。

3D片上光互连网络研究(本期优秀论文)

介绍了片上光互连的优势及其几个重要器件,并分析其网络的基本单元、开关网络结构和3D互连结构,提出了现阶段最主要的技术问题及其未来研究方向集中在片内光源的研制和片外光源耦合、互连网络功耗和温度的控制、互连网络结构和路由算法的优化三方面。

面向片上光互连的无源H树网络设计

传统的片上电互连已无法满足多核处理系统日益增长的通信需求,在延迟、能耗和带宽方面更具优势的片上光互连逐渐引起关注。为了降低片上光网络(optical network-on-chip,ONoC)硬件开销和提升光网络性能,本文提出一种基于微环谐振器的16端口无源H树光互连网络。利用宽带微环谐振器设计4组转向光路由器,降低微环谐振器使用并完成端口选择,将信号传输到8端口接收光路由器以及3级和4级光开关来满足信号的无争用传输。实验结果表明,在16×16阵列规模下与Crossbar、λ-Router、GWOR、LACE、Light等无源网络结构相比,无源光H树网络仅需使用72个微环谐振器。网络平均插入损耗1.49 dB,与λ-Router、GWOR、TAONoC相比分别降低了21.5%、10.7%、59.7%,各路径平均信噪比为17.48 dB,与λ-Router、GWOR、Light相比分别提高了38.5%、36.0%、17.1%。

后摩尔时代硅基片上光源研究进展

硅基光电子有着与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺兼容的优势,借助现有成熟的硅工业体系可以实现从理论设计到产品制造的快速转化。通过光互连与电互联的相互结合、取长补短,克服现有材料的限制,发挥新兴材料的优势,体现光电子集成在后摩尔时代高效化信息处理方面的优势。硅基光互连的实现需要依托于与当前集成电路制造工艺兼容的高效硅基片上光源。概述了后摩尔时代硅基片上光源的研究进展与面临的困难,重点介绍了本研究组在硅量子点(quantum dot,QD)光源、硅锗基光源、硅基应变锗光源等方面的研究进展。

面向硅基光互连应用的无源光子集成器件研究进展

光互连是突破传统微电子IC性能瓶颈的重要技术手段,对推进"后摩尔时代"微电子技术的发展和高性能计算技术的实现具有关键性意义。本文在归纳总结不同层次光互连结构特点的基础上,对片上光互连(on-chip or intra-chip optical interconnects)所涉及的若干种无源光子集成器件的设计制备及性能特点进行了分析介绍,这些器件包括SOI亚波长光子线波导、SOI光子晶体波导、MMI分束/合束器、微环/微盘谐振腔滤波器、光子晶体微腔耦合滤波器、光子晶体反射镜等,是硅基片上光互连的基本构成单元。本文对这些关键性光子集成器件的国内最新研究进展进行了报道。

硅基光互连网络的研究

分析了硅基光互连技术的特点与其优势,归纳了几种用于硅基光互连的主要器件和相关性能参数。对硅基光互连网络的网络结构和交换机制进行研究分析后,指出了目前技术的主要问题,并提出了未来硅基光互连的研究应集中在光源集成、减小噪声串扰和优化网络结构等方面。

一种基于微环的新型4×4非阻塞光路由开关

光互连技术因诸多特性优于电互连而成为片上多核互连最具前景的解决方案。为了提高片上光互连网络架构的性能,采取光器件模块搭建的方法,提出了一种基于微环的新型4×4光路由开关,仅用7个微环构建的拓扑结构便实现了4个双向端口的非阻塞交换,降低了功耗和面积;波导交叉的数量减少到6个,优化了插入损耗。结果表明,该结构相对于经典结构光器件的功耗节省了约8%,光互连层的插入损耗降低了约7%。