具有小网络直径和死锁自由度的高度可扩展的片上光网络

由于在芯片上集成越来越多的核心，通信效率正在成为芯片多处理器性能的主要瓶颈之一。芯片多处理器性能的提升需要大量的通信资源，但由于芯片面积和功耗的限制，芯片上的通信资源供不应求。因此，为了解决这个问题，研究者提出了片上光网络（Optical Network-on-Chip，简称ONoC）的架构，它利用光通信的高带宽和低能耗特性，旨在提升芯片多处理器的性能。 在这个研究论文中，Xiaolu Wang和其合作者提出了一种名为RPNoC（Ring-based Packet-switched NoC）的新型架构，这种架构使用的光学设备较少。具体来说，Single-waveguide RPNoC仅使用一个波导，而Multiwaveguide RPNoC则引入了空间复用技术，使得架构的高度可扩展。为了实现这一点，研究者设计了一种新颖的波长分配方法和一种无死锁的确定性路由算法。这种设计使得网络直径非常小，同时保证了无死锁，资源占用少，复杂度低。 在评估部分，研究者对64节点的RPNoC进行了不同合成和现实流量模式的仿真测试。仿真结果表明，该设计能提供高吞吐量和低延迟。与其他基于包交换的ONoC相比，RPNoC展示了最低的能耗。 论文中所提到的RPNoC架构能够有效地利用有限的芯片上通信资源，同时克服了传统的片上网络（Network-on-chip，简称NoC）由于芯片面积和功耗限制而产生的瓶颈问题。论文讨论了RPNoC架构的两个变体：Single-waveguide RPNoC和Multiwaveguide RPNoC。Single-waveguide RPNoC使用单一波导，适合于更小规模的芯片，而Multiwaveguide RPNoC通过引入空间复用技术（Space Division Multiplexing，SDM），使得该架构在高核心集成情况下仍能高度可扩展。 RPNoC架构还包含了一种创新的波长分配方法和一种无死锁的确定性路由算法，这使得网络的设计在保持很小的网络直径的同时，还保证了网络的无死锁自由度。在通信网络中，“死锁”指的是由于资源分配不当，导致的通信进程无法向前推进的情况。无死锁自由度对于确保网络通信的稳定性和高效性至关重要。 为了评估RPNoC架构的性能，论文作者进行了大量仿真，包括在不同合成和现实的流量模式下，对64节点RPNoC的仿真测试。仿真结果显示RPNoC在吞吐量和延迟方面表现出色，相比较其他包交换ONoC，RPNoC的能耗更低。这一点特别重要，因为能耗一直是制约芯片性能和效能的关键因素。 此外，论文还提供了一系列参考文献（[28]–[31]），这些文献是关于片上网络的各种拓扑结构的典型示例。在片上网络的研究中，网格（Mesh）是一种常见的拓扑结构，可以看作是一种网格状的结构。论文还提到了流量排序路由算法（dimension order routing algorithm）通常被用来避免死锁。 随着多核处理器和系统集成度的不断提高，片上光网络提供了一个很有前景的通信平台。RPNoC架构的成功设计和实现，为片上光网络的研究领域提供了新的视角，并展示了它在提高芯片多处理器性能方面的潜力。通过对RPNoC架构的深入研究和优化，未来可能会推动片上通信技术向更高水平发展。