（计算机科学与技术专业论文）光互连计算机体系结构研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 ：高性能计算机技术是当前备受瞩目的研究热点。一方面随着人类对信息处 理需求的不断拓展，作为信息处理技术核心的计算机技术正日益受到世界各国 更加密切的关注：同时，在人类曰益重视环境保护的今天，作为科学研究重要 手段的实验研究受到诸多方面的限制，计算机成为许多科学研究所必须具备的 取代或部分代替实验研究的重要手段；正是由于计算机技术在人类生活和社会 实践中的越来越广泛的重要性，人们重新将计算机技术确定为现代基础科学。 社会的发展需要更高性能的计算机，为实现更高性能的计算，人们在多个 层次上对计算机结构及其实现的物理技术进行了广泛而深入的研究：在处理器 中采用超流水( s u p e r p i p e l i n e ) 、超标量( s u p e r s c a l a r ) 、超长指令字( v e r yl o n g i n s t r u c t i o nw o r d ) 、片上c a c h e 等结构：在处理器间采用了复杂的互连技术实现 s m p ( s y m m e t r i cm u l t i p r o c e s s o r s ) 、m p p ( m a s s i v e l yp a r a l l e lp r o c e s s i n g ) 等；随着芯 片制造工艺的进步，为充分利用芯片资源和满足不同领域的高性能计算需要， 人们提出了r a w ( r e c o n f i g u r a b l ea r c h i t e c t u r ew o r k s t a t i o n ) 、i r a m ( i n t e l l i g e n t r a w ) 、通用重构计算等结构；随着光互连技术的发展，各国研究机构针对光互 连技术的发展现状，提出了多种光互连计算机体系结构模型，以充分利用光互 连技术所提供的高性能通信能力：同时针对网络技术的发展，许多结合网络环 境进行并行计算的结构不断问世，如工作站集群并行计算等。 并行计算机技术的发展存在诸多的不足，如基于现有结构的i l p ( i n s t r u c t i o n l e v e lp a r a l l e l i s m ) 研究表明现有结构下的指令级并行度十分有限，s m p 计算机性 能不能满足超高性能的工程和科学计算需要，m p p 则难以使用且实际性能与峰 值性能相去甚远；同时并行计算机系统价格十分昂贵；计算机中好用与高性能 不可兼得的难题始终存在。 针对这些问题，世界各国的计算机科研人员从多方面提出了各自的解决途 径。如美国s t a n f o r d 大学的科学家认为，当前的计算数学模型描述可能存在不 合理的方面，限制了算法中并行度的发掘：m i t 则从计算机体系结构的角度提 出了微粒度并行的r a w 结构，这种结构重新定义了计算机系统中的软硬件界 面，硬件可以由编译器实施静态调度，实验研究证实了r a w 结构的优秀并行 特性，通用重构计算研究正日益受到广泛重视，c o t m t e r f l o w 等结构也受到很多 关注。 解决这些问题的一个有效途径就是在计算机系统中合理使用光互连技术。 研究表明光互连技术具有高互连带宽、高互连密度、低互连功耗和高可靠性等 特点。自由空间光互连技术同时还具有三维互连特性。自由空间光互连技术通 过在自由空间中传输的光束进行数据传输，这对于计算机系统的三维组装具有 重要意义。随着集成光波导、光电子器件技术的成熟，光互连技术将在未来计 算机系统中扮演重要角色。 国防科学技术大学研究生院学位论文 从当前计算机体系结构的发展来看，影响其发展的重要因素是当前器件技 术的飞速进步。一方面是v l s i 器件工艺的进步使得芯片上集成的晶体管资源极 大丰富，另一方面是新器件如光互连器件的成熟和在计算机系统中的使用。这 些器件技术的发展对计算机体系结构研究提出了新的课题。以当前的器件发展 技术为基础，各种新型的计算机体系结构不断涌现。) 本文主要结合当前光互连技术、v l s i 器件技术和计算机体系结构的发展， 对光互连计算机体系结构进行了探讨。 ( 本文首先介绍了光互连技术和并行计算机技术的发展现状：光互连技术是 伴随着并行处理技术的发展而飞速成长起来的；在并行处理器技术的发展中， 互连技术一直是其中的关键技术；在利用电互连技术实现并行计算机的过程中， 人们发现了电互连技术的许多不足，如带宽有限、功耗高等，这些不足可以合 理地采用光互连技术进行克服；光互连技术具有高互连带宽、低功耗、高互连 密度等特性，这些特性使得光互连技术在提高系统性能、减小系统体积、降低 系统成本等方面将发挥重要作用。 依据当前自由空间光互连技术和计算机体系结构的发展，针对当前计算机 结构中存在的一些不足，本文提出了一种采用自由空间光互连技术的计算机体 系结构模型：这种模型能够充分利用自由空间光互连技术高互连密度和高互连 带宽的特点，同时能够由数据驱动进行计算，具有较高的并行效率，采用r a w 结构中使用的b e n c h m a r k 程序进行的模拟证明了这种结构的较高并行效率。自 由空间光互连技术所基于的器件技术与工艺已经日益成熟，如采用倒焊工艺可 以将c m o sv l s i 芯片与光互连器件集成，目前采用这种工艺已经制作出自由 空间光互连v l s i 芯片，彻底解决了v l s i 芯片引腿带来的带宽和功耗等方面的 限制。国外主要采用自由空间光互连技术进行t e r ab i t 级的数据交换与传输研 究。 根据当前集成光波导互连技术和w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技 术的发展现状，结合i l p 并行计算研究实际，我们提出了采用光互连技术的指 令级并行计算结构模型o 珂卫，并进行了模拟研究。模拟表明o i i l p 结构与传 统的i l p 结构比较有着明显的优势。集成光波导的研究已经有较长的历史，只 是在最近才实际进入商品化的计算机系统。集成光波导技术与w d m 技术的结 合，可以彻底改变传统v l s i 中的组件互连概念。 结合当前光纤光互连产品的发展趋势，我们提出了一种采用光纤光互连产 品实现互连的并行计算机结构，并利用e m u l e x 公司的产品进行了实验研究，实 验研究的结论表明，这种结构模型具有较好的并行效率，但是由于基于i p ( i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 协议实现该模型，实现的通信带宽距其最大带宽相去甚远。由于时间和 条件的限制，没有实现协议的精简。实验研究也提出了一个新的问题，什么应 用才能充分且有必要利用如此高的带宽? 在实际的计算过程中，带宽的利用效 率非常低。在我们使用的产品中，只利用了一个波长进行数据传输，如果采用 w d m 技术，光纤的传输带宽将成倍增长，合理有效地利用巨大的通信带宽应 当是今后计算机体系结构面临的新问题。现在只有美国的几个国家实验室在高 国防科学技术大学研究生院学位论文 带宽计算应用方面进行了一些研究，这一研究领域应当引起我们的密切关注。 光互连技术的发展对未来计算机技术将产生深远影响。一方面，光互连技 术的使用将改变现有的计算机器件生产与封装结构，改变原有的系统组装方式： 另一方面，新的器件技术需要新的计算机结构与之相适应。 本文工作正是基于光互连技术和计算机体系结构的发展对光互连计算机体 系结构未来发展的探讨式 ， 关键词：计算机体系结构，光互连，光互啻计算帆体系结构，并行计算 i l l 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gt e c h n o l o g yp l a y s a k e y r o l ei nt o d a y ss o c i e t y a st h eh e a r to fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g c o m p u t e ri sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i nt h em e a n t i m e ，a sw ec o n c e r nm o r ea n dm o r ea b o u te n v i r o n m e n t a n dr e s o u r c e sr e u s i n gt o d a y , c o m p u t e ri sn o wb e c o m i n gab a s i cm e t h o dt o v e r i f ys c i e n c es t u d y , n o to n l yt h ee x p e r i m e n t s oc o m p u t i n gt e c h n o l o g yw a s r e g a r d e da sab a s i cm e t h o do ft o d a y ss c i e n c es t u d i e s p o w e r f u ic o m p u t i n gs y s t e m sa r en e e d e di nt o d a y ss o c i e t y , t oa c h i e v et h i s g o a l c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e s a n dp h y s i c a l t e c h n o l o g i e st oi m p l e m e n th i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e r sa r e s t u d i e df r o mv a d e sv i e w p o i n t s u p e r p i p e n e ， s u p e r s c a l a r , v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r da n dh i g h - s p e e dc a c h eh a v eb e e n a p p l i e di nm o d e mp r o c e s s o r s ：a n dc o m p l e x i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g i e sh a v e b e e nu s e dt ob u i l d m u l t i p r o c e s s o r s a n d m a s s i v e l y p a r a l l e i p r o c e s s i n g c o m p u t i n gs y s t e m s v l s lt e c h n o l o g i e sh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v i n gd u r i n gt h e p a s tf e wy e a r sa n dp r o m i s eag r e a tn u m b e ro f t r a n s i s t o r si no n ec h i p ，t o m a k e g o o d u s eo ft h e s e t r a n s i s t o r s i r a m ( i n t e l l i g e n t r a n d o ma c c e s s m e m o r y ) ，r a w ( r e c o n f i g u r a b l e a r c h i t e c t u r eo f w o r k s t a t i o n ) a n dg e n e r a l - p u r l ：l o s er e c o n f i g u r a b l ea r c h i t e c t u r e s h a v eb e e np r o p o s e d ；a l o n gw i t ht h e p a r a l l e lc o m p u t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g ，o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y w a s p r o p o s e d t os o l v es o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nm o d e r n p a r a l l e i c o m p u t i n gs y s t e m s 。e s p e c i a l l y i n t e r c o n n e c t i o nb o t t l e n e c ko fe l e c t r i c a l i n t e r c o n n e c t i o ns y s t e m s n o wo p t i c a i | n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n m a t u r e da n d a p p l i e d i nc o m m e r c i a l c o m p u t i n gs y s t e m s s o m eo p t i c a j i n t e r c o n n e c t e dc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e sw e r es u g g e s t e d t oa v o i dw a s t i n go f h i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t e r n e t w o r k b a n d w i d t h ， c o m p u t e r n e t w o r k i n t e r c o n n e c t e dc o m p u t e r sa r ea l s oo r g a n i z e di n t oc l u s t e r e dp a r a l l e ic o m p u t i n g s y s t e m s t od op a r a l l e ic o m p u t i n gw o r k m a n yd r a w b a c k se x i s t e d i n t o d a y sp a r a l l e lc o m p u t i n gs y s t e m s f o r e x a m p l e ，l l p ( i n s t r u c t i o nl e v e lp a r a l l e l i s m ) s t u d i e ss h o wt h a t 。o n l ym e r yi i m i t e d i n s t r u c t i o ni e v e l p a r a l l e l i s mc o u l db ee x p l o r e d b a s e do nm o d e mc o m p u t e r a r c h i t e c t u r e sa n dm o d e ma p p l i e ds o f t w a r e s m pc o m p u t e rs y s t e m sc o u l dn o t s a t i s f yv e r yh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gn e e di ne n g m e e n n ga n ds c i e n c e s t u d yc o m p u t i n g m p pc o m p u t e r sc o u l dn o tb ee a s i l yu s e da n do n l yas m a l i p r o p o r t i o no fp e r f o r m a n c ec o u l db eu s e d ac o m m o n f a c to fh i g hp e r f o r m a n c e c o m p u t e r i st h a tv e r yh i g hd e r f o f i n a n c ep a r a l l e lc o m p u t e r sa r ev e r y e x p e n s i v e a p a r a d o xs t i l e x i s t st o d a y ：h i g hp e r f o r m a n c e c o m p u t e r sc o u l dn o tb ee a s i l y u s e da n dp o p u l a rc o m p u t e r sc o u l dn o ta c h i e v ev e r yh i g hp e r f o r m a n c e 国防科学技术大学研究生院学位论文 c o n f r o n t e dw i t ht h e s ep r o b l e m s ，m a n ym e t h o d sh a db e e ng i v e nt os o l v e t h e s ep r o b l e m s s c i e n t i s t si ns t a n f o r du n i v e r s i t ys u g g e s t e dt h a tw eh a v et o r e t h i n ka b o u tt h ec o m p u t i n gm a t h e m a t i c a im o d e l s f o rt h em o d e l si i m i t e dt h e d e g r e eo fp a r a l l e l i s mt h a tc o u l d b ef o u n d m i tg a v et h ef i n e g r a i np a r a l l e i c o m p u t r a wiera r c h i t e c t u r ea sas o l u t i o nn t e r f a c eb e t w e e nh a r d w a r ea n d s o f t w a r eh a db e e nr e p l a n n e d ，a n dh a r d w a r er e s o u m e sc o u l db es c h e d u l e d s t a t i c a l l yb yc o m p i l e r s i nt h em e a nt i m e ，g e n e r a l - p u r p o s er e c o n f i g u r a b l e c o m p u t i n ga r c h i t e c t u r ea n dc o u n t e r f o wa r c h i t e c t u r ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t i e n t i o n s as o l u t i o nt ot h e s ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nm o d e r nc o m p u t e rm a y b et h e o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y t h ea d v a n t a g e so fo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g yh a v eb e e nv e r i f i e db ym a n ys t u d i e s s u c ha sh i g hi n t e r c o n n e c t i o n b a n d w i d t h ，h i g hi n t e r c o n n e c t i o nd e n s i t y , l o we n e r g yc o s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y , e t c a l t h o u g ho p t i c a | i n t e r c o n n e c t i o nc o m p o n e n t sa r ev e r ye x p e n s i v en o w t h e b e n e f i t so fo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o np r o m i s ei t s i m p o r t a n tf u t u r ei nc o m p u t i n g t e c h n o l o g y am a j o rf a c t o ri m p a l i n gc o m p u t e ra r c h i t e c t u r ed e v e l o p i n gi sh a r d w a r e t e c h n o l o g y n o wv l s it e c h n o l o g i e sa r ed e v e l o p i n g ，i nt h em e a nt i m e ，n e w h a r d w a r et e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l y i n gm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm o d e r n c o m p u t e rs y s t e m s m a n y n e wc o m p u t e ra r c h i t e c t u r em o d e l sh a v e b e e n p r o p o s e d t os a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to fn e wh a r d w a r e t e c h n o l o g i e s ，a n dan e w p r o b l e ms h o u l db ea n s w e r e d ：w h i c ha r c h i t e c t u r em o d e i | st h eb e s t ? b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fv l s ia n d o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y ， f r o mt h ep o i n tv i e wo fc o m p u t e ra r c h i t e c t u r e w ea t t e m p tt of i n daw a yo f p a r a l l e lc o m p u t i n g ，t oa c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c ea n dt om a k eg o o du s eo f h a r d w a r er e s o u r c e s f i r s t t h e d e v e l o p i n g s t a t u so f o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e sw a sg i v e n o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g yw a s d e v e l o p e da l o n g w i t h p a r a l l e lc o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s i n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g yi s a ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi n p a r a l l e lc o m p u t i n gs y s t e m s ，a n d e l e c t r i c a li n t e r c o n n e c t i o nh a sb e e n w i d e l yu s e di nm o d e r np a r a l l e lc o m p u t i n g s y s t e m s m a n yd r a w b a c k so fe l e c t d c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g yl i m i t e dt h e p e r f o r m a n c e o f c o m p u t i n gs y s t e m ，s u c h a sl i m i t e db a n d w i d t h ，h i g he n e r g yc o s t e ta l ；a n do p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g yh a sm a n y a d v a n t a g e s s u c ha s h i g hb a n d w i d t ha n dl o we n e r g y c o s te t c s oi tw o u l db e v e r yb e n e f t c i a lt oa p p l y o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n i nf u t u r e p a r a l l e lc o m p u t i n gs y s t e m s o n ei m p o r t a n t f a c t o rs h o u l db et a k e ni na c c o u n tw h e nw ed e c i d et ou s e o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g y i n c o m p u t i n gs y s t e m s i st h a tt h eh a r d w a r ei s e x p e n s i v e n o w v 西 国防科学技术大学研究生院学位论文 f o l l o w e dan e w c o m p u t e r m o d e ib a s e do n f r e e s p a c eo p t i c a i i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g yw a sg i v e n f r e e s p a c ei n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y c o u l da c h i e v ev e r y h i g h - d e n s i t y i n t e r c o n n e c t i o n s ot h ei n t e r c o n n e c t i o n b a n d w i d t hc o u l db ea c h i e v e di sv e r yh i g h s o m ea r c h i t e c t u r em o d e l _ h a db e e n g i v e nt oi m p l e m e n t r e r ab i tl e v e is w i t c hs y s t e m s a n ds o m eo t h e ra r c h i t e c t u r e m o d e l f ih a db e e n g i v e n t o i m p l e m e n ti m a g e - p r o c e s s i n gc o m p u t e r t h e a r c h i t e c t u r em o d e lw ep r o p o s e dw a sag e n e r a l p u r p o s ec o m p u t e rm o d e i 。i t c o u l dt a k ea l it h ea d v a n t a g e so ff r e e - s p a c ei n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y a n d s i m u l a t i o nv e d f i e dt h eh i g he f f i c i e n c yi tc o u l dg e t a n das e c o n dc o m p u t e ra r c h i t e c t u r em o d e l0 i | l pf o p t i c a ii n t e r c o n n e c t e d i n s t r u c t i o nl e v e ip a r a l l e i p r o c e s s i n 9 1w a sp r o p o s e d b a s e do n i n t e g r a t e d w a v e g u i d e a n d w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y , s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eg i v e n i n t e g r a t e dw a v e g u i d ea n dw d m t e c h n o l o g y h a v eb e e nr e s e a r c h i n gl o n gb e f o r e a n do n l yi nt h ep a s tf e wy e a r s ，t h e s e t e c h n o l o g i e sb e c a m e m a t u r e da n dh a db e e n a p p l i e di nc o m m e r c i a ic o m p u t e r s i n t e g r a t e dw a v e g u i d e i n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g y w o u l d c h a n g e t h e i n t e r c o n n e c t i o nc o n c e p ti nv l s is y s t e m s c o m b i n e dw i t hw d m a n o t h e r v e r yi m p o r t a n to p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n c o m p o n e n t i sf i b r e h u n d r e d so fb e a ml i g h tw i t hd i f f e r e n tw a v e l e n g t hc o u l db et 馅n s m 眦e da l o n g o n ef i b r e ，w i t he a c hb e a mt r a n s m i t t i n gg i g ab i to fd a t ap e rs e c o n d ，s ot h e b a n d w i d t hp r o v i d e db y o n l yo n e f i b r ei sg r e a t a n dt h ep r o b l e mi s ：h o wt ou t i l i z e t h eb a n d w i d t hr e s o u r c e s ? w ep r o p o s e da na r c h i t e c t u r em o d e lt or e s o l v et h e p r o b l e m ，a n de x p e r i m e n t sw i t he m u l e xc o m p a n y sf i b r ec h a n n e ip r o d u c t s w e r eg i v e n s e v e r a iu sn a t i o n a | | a b o r a t o r i e sh a dd o n es o m ew o r ki nt h i sa r e a i ti sc e r t a i nt h a to p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g yw i l ic h a n g et h eb a s i so f f u t u r ec o m p u t e r , t h eh a r d w a r eb a s i sa n dt h ec o n c e p tb a s i s t h ew o r ki nt h i s p a p e ri s at r yt of i n ds o m en e w w a y t od ob e t t e rc o m p u t i n gb a s e do nf u t u r e o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：c o m p u t e ra r c h i t e c t u r e , o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，o p t i c a l i n t e r c o n n e c t e dc o m p u t e r , p a r a l l e l c o m p u t i n g 田防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 光互连技术的发展历史与现状 1 1 1 光互连技术的发展历史 在过去的几十年中，计算机性能得到了大幅度的提高，计算机体系结构的 发展在其中起到了十分关键的作用。尽管在今后的几十年中，v l s i 工艺仍然将 保持其强劲发展势头，使得今后通过提高计算机系统主频来提高计算机系统性 能仍然可行，但这一途径不久就会走到尽头。物理极限的存在决定了计算机主 频有其发展上限，而人类社会的发展对计算机系统性能的要求决不会因为计算 机主频上限的存在而停留在某一水平上。并行处理是提高计算机系统性能的有 效途径。m p ( m u l t i l 慨s s o r s ) 计算机系统和m p p ( m a s s i v e l yp a r a l l e lp r o c e s s i n g 、 计算机系统的发展历程有力地说明了并行处理的有效可行。 随着并行处理技术的发展，并行计算机系统在性能不断提高的同时，对并 行计算机系统中的互连技术提出了新的要求，传统的电互连技术已成为并行计 算机系统性能进一步大幅度提高的严重障碍。已有研究表明，现有的计算机系 统之所以采用目前的存储程序结构，是因为电子技术在信号的传输上存在严重 缺陷，使得现有的计算机系统中各处理部件必须分时共享带宽有限的电互连网 络，这就决定了当前的计算机系统的存储程序结构。存储程序结构的存在有 其合理存在的历史条件。早期的有关光计算的研究得出结论，认为光不论在信 号的处理还是在信号的传输上都无法与电抗衡：这些结论被现有的研究所否定。 光介质在信号传输方面具有电介质所不可比拟的优越性，如极高的时空带宽积、 极小的电磁干扰、互连密度远大于电互连、较小的互连功耗等阳0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】，这些已 经在光通信系统广泛丽又成功的应用中得到了有效的验证。另外，光双稳器件 方面的研究表明，光开关器件的工作频率远高于电子开关器件，之所以纯光数 字计算部件的研究目前暂时存在一定困难，是因为光开关器件在成本上与电子 开关器件相比，缺乏竟争优势。光在通信方面的优点，使得光介质在计算机的 互连网络中有着巨大的潜在应用价值，正是这些潜在的巨大应用价值吸引了世 界许多著名研究机构对光互连技术的极大关注。现在基于带状光纤、集成光波 导的互连技术已经成熟，并且已开始进入市场，自由空间光互连技术发展迅猛， 实验室中大量采用；同时光存储技术已经商品化，所有这些预示着光互连技术 在计算机系统中广阔的应用前景美、日、欧等国家和地区在过去的几十年中 在光互连研究上投入了相当的人力、物力和财力，研究成效显著。现在已经有 多种光互连实验原型机问世，如日本n r r 的c o s i n e 系列实验光互连计算机等。 另外，多种光互连器件已接近实用，如灵巧象素阵列( s m a r t - p i x e l sa r r a y ) 、平面 微透镜阵列等；同时，光互连器件与v l s i 电子器件的单块集成工艺已经有了妥 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 善的解决方案，如倒焊工艺等。部分商用巨型计算机中也采用了简单的光互连 技术，如c r a yt 9 0 等例。可以说，从目前的发展形势看，近期内光互连技术在 巨型计算机系统中将发挥重要作用。n t t 等研究机构的人员甚至认为，在2 0 0 0 年后，光互连技术将在个人计算机系统中得到大量使用。 针对目前的光互连器件与工艺的发展现状，许多研究机构纷纷提出其各自 的光互连计算机体系结构模型，部分模型正在进行或已经进行了实验验证。 1 1 2关键光互连器件 光源：在光互连中光源主要用于携带数据的光信号的产生。早期的光源研 究很多基于外部光源研究光源分束技术，研究精力集中在如何使各个光束光能 分布均匀、减少光能损耗：如研究设计微透镜阵列，利用这种阵列将c o ，激光 器发出的激光分成能量均匀的光束阵列；部分研究还基于发光二极管。现在， 光互连的研究主要考虑采用垂直腔面发光二极管激光器( v c s e l ：v e r t i c a lc a v i t y s u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ) 阵列，这种二极管激光器垂直于器件阵列平面发光，以 g a a s 为制作材料，便于大规模集成。v c s e l 阵列用作光互连光源有较多的优 点：互连密度高，互连功耗小，工作频率高，容易与c m o s 电路大规模集成等； 如美国h o n e y w e l l 公司生产的v c s e l 产品，工作频率可以达g l j 2 0 g h z l l 3 3 1 。新 的v c s e l 阵列还可以对单个光源的发光角度、发光波长等进行调制【1 0 ”，这对 三维v l s i 芯片内的自由空间光互连具有重大的意义。 光探测器t 光探测器主要用于将光信号转换成电信号，便于电子逻辑器件 对数据进行处理。现在光电二极管阵列中单个光电二极管灵敏度已非常高，有 的光电二极管其光电转换效率可达9 0 ，且光电二极管易于大规模集成。光电 二极管同样可以以g a a s 作为制作材料。比利时的弗里杰大学演示了仅用7 2 f j 光能的可级连光互连实验口1 1 9 9 8 年1 2 月，德国研制成功5 5 0 g h z 的光探测 器【4 3 】。 灵巧象素阵列( s p a ：s m a r t p i x e i sa r r a y s ) ：当光数据在传输的过程中需要 进行简单处理如数据寻径时，s p a 阵列能够满足需要。灵巧象素阵列是光互连 中的关键器件。灵巧象素是光电子器件与电子数字逻辑器件的混合体；这种器 件具有高带宽的光数据传输通路，又具有一定的逻辑功能，是光互连中极有应 用前景的一种器件。采用倒焊工艺，可以在c m o sv l s i 芯片上构成光电子器 件，形成高性能的s p a 。美国a r p a 在其启动的“u l t r a - p h o t o n i e s ”项目中对灵 巧象素阵列的研究给予了高度的重视。 空间光调制器( s l m ：s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ) ：空间光调制器是光互连、 光计算中的关键器件之一。s l m 主要用于对光的各种物理特性进行调制，如改 变光的波长、光的强度、光的极化方向等。s l m 分两类，一种是电串行寻址的 s l m ，另外一种是光并行寻址的s l m 。目前，s l m 的性能还不能满足光互连、 光计算的需要。s l m 的研究需要在提高s l m 的性能与规模上作进一步的努力。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 3自由空间光互连技术 自由空间光互连技术通过在自由空间中传播的光束进行数据传输。自由空 间光互连在光互连技术中最具吸引力，因而是光互连技术中的研究热点。早期 的研究主要集中在如何利用自由空问光互连技术构成m i n ( m u l t i s t a g