專利名稱：計算機系統(tǒng)設(shè)備中的全光學(xué)快速分布式仲裁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例涉及計算機系統(tǒng)設(shè)備中的資源仲裁，并且更特別地涉及在提供計 算機系統(tǒng)設(shè)備中的計算機系統(tǒng)部件之間的通信的光子互連中的光學(xué)信道仲裁。
背景技術(shù)：
在二十世紀(jì)六十年代中期，半導(dǎo)體制造商觀察到，在集成電路上制作的電路(諸 如晶體管)的密度大約每18個月翻一番。這種趨勢已延續(xù)并且現(xiàn)在被稱作“摩爾定律”。 晶體管密度被看作是計算機處理能力的粗糙度量，所述計算機處理能力又對應(yīng)于數(shù)據(jù)處理 速度。盡管最初摩爾定律是作為觀察結(jié)果而得出的，但是隨著時間的推移摩爾定律已被半 導(dǎo)體工業(yè)廣泛地接受作為提高計算機處理能力背后的基本驅(qū)動力。結(jié)果，半導(dǎo)體制造商已 研發(fā)了用于將芯片部件的大小減小到微尺度乃至納米尺度尺寸的技術(shù)。計算機系統(tǒng)(其一 些示例是存儲器模塊系統(tǒng)、單核處理器設(shè)備或多核處理器設(shè)備)的計算機系統(tǒng)架構(gòu)在試圖 跟上摩爾定律的同時正面臨限制。多核系統(tǒng)示例說明所面臨的一些問題。近年來，半導(dǎo)體工業(yè)已研發(fā)了包括兩個或 更多被稱為“核”的子處理器的處理器。例如，雙核處理器包含兩個核，而四核處理器包含 四個核。典型地，這些核被集成，共享到系統(tǒng)的其余部分的相同互連，并且可以獨立地操作。 盡管半導(dǎo)體制造商可以提高單個核的晶體管密度，但是半導(dǎo)體制造商由于功耗效率低而未 朝這個方向前進(jìn)。替代方案是提高單個管芯上封裝的核的數(shù)量。管芯是其上制作集成電路 (“芯片”)的單層半導(dǎo)體材料。然而，芯片上和芯片外通信已成為針對需要這些多核芯片 的、苛刻的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用保持性能增長的關(guān)鍵問題。計算帶寬隨核數(shù)量的增長而線性地 縮放，但是可以使用頂級金屬線橫跨多核芯片傳送數(shù)據(jù)的速率正以慢得多的速度在提高。 另外，數(shù)據(jù)可以通過沿著芯片邊緣定位的管腳而傳送到芯片外的速率也比計算帶寬更慢地 增長，并且芯片上和芯片外通信的能量成本明顯限制可獲得的帶寬。結(jié)果，計算機架構(gòu)現(xiàn)在 處于十字路口并且物理學(xué)家和工程師正在尋找對使用金屬線進(jìn)行芯片上和芯片外通信的 替代方案。計算機系統(tǒng)部件(諸如芯片上的核)通過共同互連而彼此通信并且共享資源。一 種避免沖突或碰撞的機制是通過使用仲裁機制，這些部件可以通過該仲裁機制確定在任何 給定的時間哪個獲得對資源的訪問。對共享資源的仲裁對于許多系統(tǒng)的性能是關(guān)鍵的，然而在許多請求器間對資源的 高效仲裁相對于處理器時鐘周期而言往往是很慢的。而且，在高處理器時鐘頻率下，給定適 度復(fù)雜的電實施方式，仲裁可能消耗大量的功率?？刂芅輸入N輸出交叉開關(guān)(crossbar)以把唯一發(fā)送器分配給每個輸出端口是 計算機聯(lián)網(wǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)問題。通常的硬件解決方案被設(shè)計用于帶有虛擬輸出隊列(VOQ)的系 統(tǒng)，其中每個發(fā)送器具有每接收器一個V0Q。可能的最佳解決方案可以通過脫機順序算法 在0(N2. 5)時間內(nèi)被計算出來，即通過Hopcroft-Karp算法針對二分圖中的最大匹配進(jìn)行 計算，但這對于用作交叉開關(guān)仲裁方案而言將太慢。相反，對于電子控制的網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)，
3使用聯(lián)機、并行迭代方案。在多回合迭代過程的每個回合中，發(fā)送器請求向接收器發(fā)送的權(quán) 利，仲裁器響應(yīng)于這些請求中的一些而發(fā)送回準(zhǔn)予，并且一些準(zhǔn)予然后被接受。最大匹配在 0(log2(N))回合中被實現(xiàn)。所需的時間典型地以數(shù)十微秒來測量。期望的仲裁方案可以以與它正在其中操作的系統(tǒng)相稱的速度執(zhí)行它的任務(wù)以避 免成為瓶頸并且是低功率的。低復(fù)雜度也是仲裁系統(tǒng)的期望特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個實施例涉及用于計算機系統(tǒng)設(shè)備中的經(jīng)由光子互連而通信耦合的 計算機系統(tǒng)部件的全光學(xué)分布式仲裁的系統(tǒng)和方法。計算機系統(tǒng)中的光學(xué)仲裁的實施例提 供帶有固定優(yōu)先級和不固定優(yōu)先級的仲裁方案。不固定優(yōu)先級方案實施例可以提供仲裁的 公平性。在一些實施例中，組合仲裁和光功率的傳送。


圖1示出依據(jù)本發(fā)明實施例的層疊計算設(shè)備的橫截面圖。圖2示出依據(jù)本發(fā)明實施例的計算設(shè)備的部件的示意表示。圖3示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖1所示的計算設(shè)備的四個管芯層的分解等距視 圖。圖4A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的處理器管芯集群(cluster)。圖4B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的存儲器管芯的塊片(tile)。圖5示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖4A-4B所示的塊片和集群的部件之間的相互作用 的示意表示。圖6示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖1所示的計算設(shè)備的四個管芯層的放大分解等距 視圖。圖7A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)管芯的示意表示。圖7B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖7A所示的光學(xué)管芯的區(qū)的放大圖。圖7C示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖7B所示的沿著線7C-7C的芯片上脊波導(dǎo)的一部 分的橫截面圖。圖7D示出依據(jù)本發(fā)明實施例的兩個近似平行的光子晶體波導(dǎo)的一部分的頂視 圖。圖8示出依據(jù)本發(fā)明實施例的電磁輻射源的示意表示。圖9A-9B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的兩個光電子轉(zhuǎn)換器的示意表示。圖10示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光電子轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器塊的部件的示意表示。圖11示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光電子轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)/控制塊的示意表示。圖12示出依據(jù)本發(fā)明實施例的三個數(shù)據(jù)/控制塊的示意表示。圖13示出依據(jù)本發(fā)明實施例的放大的成束波導(dǎo)調(diào)制器/檢測器的示意表示。圖14示出依據(jù)本發(fā)明實施例的芯片外通信集線器(hub)。圖15示出依據(jù)本發(fā)明實施例的廣播。圖16A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的用于在未編碼信道中編碼數(shù)據(jù)的波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)。圖16B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的用于從波導(dǎo)中提取編碼信道的波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)。
圖17示出依據(jù)本發(fā)明實施例的微環(huán)的示意表示。圖18A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的示例性四集群、層疊計算設(shè)備的示意表示。圖18B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖18A所示的仲裁系統(tǒng)的示意表示。圖19示出依據(jù)本發(fā)明實施例的仲裁系統(tǒng)。圖20A說明依據(jù)本發(fā)明另一個實施例的其中優(yōu)先級方案是固定(不公平)的全光 學(xué)仲裁系統(tǒng)的示意圖。圖20B說明仲裁系統(tǒng)實施例的另一個版本，其中到光子互連的另一個功能部分 (諸如數(shù)據(jù)傳輸)的光功率傳送與仲裁耦合或組合。圖21是可以采用這樣的仲裁方案的仲裁系統(tǒng)的示意圖，在所述仲裁方案中多個 計算機系統(tǒng)部件可以被準(zhǔn)予對多個接收部件的訪問而不用提高所使用的波導(dǎo)數(shù)量。圖22示出依據(jù)本發(fā)明實施例的另一個仲裁系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的各個實施例涉及在提供計算機系統(tǒng)部件之間的通信的光子互連的背景 下的全光學(xué)仲裁系統(tǒng)和方法。這些光子互連比其電對等物更快，因此仲裁系統(tǒng)不應(yīng)成為瓶 頸。期望全光學(xué)仲裁系統(tǒng)，以便可以與通信的速度相稱地執(zhí)行仲裁。為了說明性目的，描述 計算機系統(tǒng)設(shè)備實施例以提供用于說明本發(fā)明的仲裁系統(tǒng)的各個方面的背景。然而，依據(jù) 本發(fā)明的全光學(xué)仲裁系統(tǒng)不限于如所描述的光子互連的實施例的具體細(xì)節(jié)。光子互連這些光子互連提供計算機系統(tǒng)部件(例如，核、集群、存儲器控制器)之間的芯片 上光子互連。另外，光子互連的一些實施例也提供到外部設(shè)備上的計算機系統(tǒng)部件的芯片 外光子互連。本發(fā)明的實施例也包括具有納米光子部件的光子互連，所述納米光子部件包 括具有典型地小于波長或小于微米的尺寸的部件。這些光子互連提供比沿著芯片邊緣定位的常規(guī)管腳更快的、可以把數(shù)據(jù)傳送到芯 片外的速率，提供更大的計算帶寬，提供比常規(guī)金屬線更低的芯片上和芯片外通信的能量 成本，并且可以被擴大或縮小以適應(yīng)附加部件，例如具有任何數(shù)量的核的處理器。光子互連 的架構(gòu)可以用非阻擋、低等待時間、可重配置的納米光子微環(huán)來實施，從而提供即使在峰值 計算帶寬下也非常低的功耗、適中的等待時間以及高帶寬。另外，計算機系統(tǒng)設(shè)備的架構(gòu)可 以被配置成使得所有存儲器緊密接近存儲器控制器或甚至處理器。依據(jù)本發(fā)明實施例配置 的采用光學(xué)管芯的基于多核的計算設(shè)備可以以大約20太字節(jié)/秒操作。在以下描述中，術(shù)語“光子”和“光子地”指的是用經(jīng)典和/或量子化ER操作的設(shè) 備，所述ER的波長不限于電磁頻譜的僅可見光部分。在下面描述的各個光子交換機和交換 結(jié)構(gòu)實施例中，若干結(jié)構(gòu)上類似的包括相同材料的部件已被提供相同的附圖標(biāo)記，并且為 了簡明起見不重復(fù)這些部件的結(jié)構(gòu)和功能的解釋。多核層疊計算設(shè)備圖1示出依據(jù)本發(fā)明實施例的示例性計算機系統(tǒng)設(shè)備(“計算設(shè)備”)100的橫 截面圖，該計算機系統(tǒng)設(shè)備是采用光子互連的多核層疊計算設(shè)備。該計算設(shè)備100包括層 疊在封裝116中的四個層疊存儲器管芯110-113、處理器管芯102、存儲器控制器/目錄 (directory)/L2管芯(“存儲器-控制器管芯”)104、模擬電子管芯106、和光學(xué)管芯108。該層疊存儲器管芯110-113可以是易失性存儲器(如動態(tài)隨機存取存儲器(“DRAM”))，非易 失性存儲器，或易失性和非易失性存儲器的任意組合。特別地，該層疊存儲器管芯110-113 可以是8千兆字節(jié)(“GB”)DRAM。該計算設(shè)備100也包括定位在處理器管芯102的頂表 面上的散熱器118、以及由四個貫通孔(through via) 120-123表示的大量通孔(例如幾百 個)，所述通孔從存儲器_控制器管芯104穿過模擬電子管芯106和光學(xué)管芯108延伸到四 個存儲器管芯110-113。管芯102、104、106、108和110-113的厚度可以在大約25微米到大約50微米之間 變化。散熱器118耗散由處理器管芯102的計算操作而產(chǎn)生的熱量，并且貫通孔120-123 可以是金屬化的或硅填充的通孔，它們將存儲器管芯中的存儲器控制器電互連到四個存儲 器管芯110-113中的每一個。位于存儲器-控制器管芯104內(nèi)的存儲器控制器管理去往和 來自存儲器管芯110-113的數(shù)據(jù)流以及去往和來自外部設(shè)備(未示出)的數(shù)據(jù)流。光學(xué)管 芯108比其它管芯更大以便包括外部光子互連-諸如外部光子互連124和126，所述外部光 子互連可以用來將數(shù)據(jù)編碼的電磁輻射傳輸?shù)接嬎阍O(shè)備100以及從計算設(shè)備100傳輸數(shù)據(jù) 編碼的電磁輻射。光學(xué)管芯可以是大約24mmX24mm，但是這些尺寸可以根據(jù)實施方式而改 變。金剛石層130也可被包括在光學(xué)管芯108的底表面與存儲器管芯110的頂表面之間。 金剛石層130的厚度可以為大約1-10 μ m,并且可以被用來擴散和耗散由處理器管芯102和 存儲器_控制器管芯104產(chǎn)生的熱量。圖1所示的三維管芯層疊允許光學(xué)管芯108與電子管芯102和104的緊密耦合， 以低等待時間提供存儲器管芯110-113的可訪問性，以及通過將集群邏輯和存儲器散布在 層疊的鄰近管芯102、104和110-113上，集群內(nèi)的電布線相對于常規(guī)設(shè)備被縮短。特別地， 將存儲器管芯層疊成緊密接近存儲器控制器并使用穿過存儲器層的通孔提供了比用于將 常規(guī)存儲器連接到存儲器控制器的顯著更長、電阻更高的互連長度更短、電阻更低的互連。 結(jié)果，在計算設(shè)備100的管芯之間傳輸電信號所需的功率或負(fù)荷明顯低于常規(guī)存儲器到存 儲器控制器所需要的功率。圖2示出依據(jù)本發(fā)明實施例互連的計算設(shè)備100的管芯102、104和108的部件的 示意表示。處理器管芯102是多核處理器，其中這些核可以被布置成如由集群202-204表示 的集群，每個集群有四個核。每個核具有下面參考圖4描述的專用第一級(“Li”)指令高速 緩存(未示出)和專用Ll數(shù)據(jù)高速緩存(未示出)。集群202-204每個具有由L2高速緩 存206-208表示的專用共享的第二級(“L2”)高速緩存、以及由存儲器控制器210-212表 示的相關(guān)存儲器控制器。存儲器控制器210-212分別控制去往和來自集群202-204的數(shù)據(jù) 流。L2高速緩存和存儲器控制器位于鄰近處理器管芯102的存儲器-控制器管芯104中。 如圖2所示，光學(xué)管芯108的光子互連214提供使得與集群202-204相關(guān)聯(lián)的L2高速緩存 206-208能夠彼此光子通信以及與存儲器控制器210-212光子通信的光子互連。此外，圖2 揭示了存儲器控制器210-211可以與外部存儲器模塊(諸如芯片外雙列直插式存儲器模塊 (“DIMM”)216-218)光子地通信。集群202-204分別可以與DIMM 216-218電子地或光子 地通信。處理器管芯102的每個集群具有設(shè)置在存儲器控制器管芯104上的對應(yīng)存儲器控 制器，每個存儲器控制器對接到層疊存儲器管芯110-113或驅(qū)動到芯片外存儲器的光子連 接以提供隨處理器管芯102性能縮放的帶寬。這些集群也通過光學(xué)管芯108而彼此光子地
6耦合，從而提供高帶寬、適中的等待時間以及非常低的功耗。因此，層疊計算設(shè)備100歸其 支配的程序員可以以高的水平表達(dá)并行性，并且不會被局部性(locality)問題所困擾，這 極大地減小了并行程序開發(fā)的難度。此外，計算設(shè)備100架構(gòu)可提供每浮點運算一個字節(jié) (one byte per flop)的帶寬至Ij DRAM。當(dāng)為每個存儲器管芯110-113選擇8GB DRAM時，疊層上存儲器提供32G字節(jié)的 DRAM，其通過穿過DRAM的多個通孔(例如通孔120-123)直接連接到存儲器控制器。該DRAM 由四個存儲器堆疊層提供，所述存儲器堆疊層被變薄到大約25到50微米以最小化這些通 孔的負(fù)荷或使用這些通孔所需要的功率量。該DRAM疊層的每個層包括映射到上面的處理 器管芯102中的集群上的64個幾乎等同的區(qū)。每個DRAM區(qū)可被進(jìn)一步細(xì)分為多個存儲體 (bank)，所述存儲體減小了行訪問時間，并允許多個并發(fā)訪問。例如，使用20nm DRAM技術(shù)， 每個區(qū)可提供IG比特的糾錯碼保護(hù)的存儲空間，從而使得存儲器-控制器管芯104中的每 個存儲器控制器電子地連接到存儲器的0. 5G字節(jié)。多個信道提供到存儲器中的增加的帶 寬。通過提供增加的帶寬，DRAM中的存儲體沖突被減少。每個存儲器信道由72個數(shù)據(jù)比特 和大約30個地址和控制比特組成。使用25微米間距的貫通孔，假設(shè)每存儲器控制器4個 信道，則貫通孔的面積開銷可以小于存儲器層的3%。細(xì)間距的貫通孔允許DRAM被構(gòu)造成 從單個行訪問提供整個高速緩存線。當(dāng)期望512GB DRAM時，其可以被布置成64個分離的光學(xué)連接存儲器模塊 (“0CM”)。這些OCM利用與上面描述的8GB DRAM相同的基礎(chǔ)技術(shù)。光學(xué)管芯108執(zhí)行兩 個功能。第一，光學(xué)管芯108提供到光纖連接(諸如外部光子互連124和126)的接口。第 二，光學(xué)管芯108為DRAM的疊層提供低功率的全局互連。這些OCM和處理器通過光纖連接， 所述光纖提供多達(dá)48個信道，這些信道可以被用于命令或其它專用數(shù)據(jù)交換。多核層疊計算設(shè)備的總體操作為簡化起見，下面參考計算設(shè)備100來描述本發(fā)明的光子互連實施例，其中處理 器管芯102包括64個四核集群。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會顯而易見，本發(fā)明的光子互連實施例 不限于這樣的設(shè)備并且這些實施例可以被修改并實施成為具有任何數(shù)量的集群的多核計 算設(shè)備提供光子互連，所述集群具有各種布置的任何數(shù)量的核。圖3示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光子管芯102、存儲器-控制器管芯104、模擬電子 管芯106和光學(xué)管芯108的分解等距視圖。如圖3所示，處理器管芯102和存儲器-控制 器管芯104被劃分為64個塊片。處理器管芯102中的每個塊片表示稱作“集群”的四個核， 并且在存儲器-控制器管芯104中的每個塊片表示與處理器管芯102中近似位于直接上方 的對應(yīng)集群進(jìn)行電子通信的L2高速緩存、集線器、存儲器控制器和其它設(shè)備。例如，存儲 器_控制器管芯104的塊片302表示位于相關(guān)集群304下面并與該相關(guān)集群304電子通信 的L2高速緩存、集線器、存儲器控制器和其它設(shè)備。這些集群和塊片可以是大約3mmX 3mm， 但是可以根據(jù)實施方式被制得更大或更小。本發(fā)明的實施例并不限于具有四個核的集群。 在其他實施例中，集群可包括兩個、三個和四個或更多核。下面參考圖4A-4B來描述集群和 塊片的示例。光學(xué)管芯108包括16個近似均勻間隔開的光電子轉(zhuǎn)換器(諸如光電子轉(zhuǎn)換 器306)、270個分離的且近似平行(非交叉)的具有蛇形配置的波導(dǎo)(由帶308表示)，和 16個由8個近似平行的波導(dǎo)組成的束，其中蛇形配置的波導(dǎo)穿過16個均勻間隔開的光電子 轉(zhuǎn)換器的每一個而蜿蜒延伸，每個束從對應(yīng)的光電子轉(zhuǎn)換器發(fā)出，諸如束310從光電子轉(zhuǎn)換器306發(fā)出。270個蛇形波導(dǎo)被稱作“芯片上波導(dǎo)”，其在光電子轉(zhuǎn)換器之間提供光子通 信；而包括16個波導(dǎo)束的這些波導(dǎo)被稱作“芯片外波導(dǎo)”，其提供與位于計算設(shè)備100外部 的設(shè)備的光子通信。這16個光電子轉(zhuǎn)換器中的每個由四個光電子轉(zhuǎn)換器塊(未示出)組 成。每個光電子轉(zhuǎn)換器塊(“轉(zhuǎn)換器塊”)與存儲器-控制器管芯104中的四個相關(guān)塊片之 一進(jìn)行電子通信。下面參考圖6和7更詳細(xì)地描述轉(zhuǎn)換器塊。模擬電子管芯106包括16 個片(patch)，每個片位于存儲器_控制器管芯104中的四個塊片和光學(xué)管芯108中的光電 子轉(zhuǎn)換器之間。每個片包括若干金屬化的或硅填充的貫通孔，所述貫通孔提供存儲器-控 制器管芯104中的四個塊片與對應(yīng)光電子轉(zhuǎn)換器之間的模擬電子通信。數(shù)據(jù)以電子模擬信 號(“電信號”)的形式通過這些片進(jìn)行傳輸，因為產(chǎn)生模擬信號典型地比產(chǎn)生數(shù)字電信號 耗費少得多的功率。下面的描述是對可以如何使用光學(xué)管芯108來在處理器管芯102上的集群之間傳 輸數(shù)據(jù)并且在集群與外部設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的概述。由處理器管芯102的集群(諸如集群 304)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或從存儲器-控制器管芯104的塊片(諸如塊片302)提取的數(shù)據(jù)作為數(shù) 據(jù)編碼的電信號通過片312中的通孔而被傳輸?shù)焦怆娮愚D(zhuǎn)換器306的對應(yīng)轉(zhuǎn)換器塊(未示 出)。該轉(zhuǎn)換器塊將電信號編碼到在一個或多個芯片上波導(dǎo)308中傳播的一個或多個波長 的電磁輻射(稱作“信道”)中。將數(shù)據(jù)編碼到未調(diào)制信道中可通過調(diào)制信道的強度來實 現(xiàn)，這在下面參考圖14進(jìn)行更詳細(xì)的描述。承載數(shù)據(jù)的信道被稱作“編碼信道”。編碼信道 的目的地可以是⑴相鄰的集群314，其也與相同的光電子轉(zhuǎn)換器306進(jìn)行電子通信，⑵ 位于處理器管芯102中其它位置的集群，諸如集群315，或(3)外部設(shè)備(未示出)。當(dāng)該 編碼信道的目的地為相鄰的集群314時，該集群314的位于光電子轉(zhuǎn)換器306內(nèi)的對應(yīng)轉(zhuǎn) 換器塊接收該編碼信道并將其轉(zhuǎn)換回編碼電信號，所述編碼電信號通過片312被傳輸回到 集群314。當(dāng)該數(shù)據(jù)編碼信道的目的地是集群315時，這些編碼信道沿著適當(dāng)?shù)男酒喜?導(dǎo)被傳輸?shù)轿挥诠怆娮愚D(zhuǎn)換器316內(nèi)的對應(yīng)于集群315的轉(zhuǎn)換器塊。該編碼信道被轉(zhuǎn)換回 編碼電信號，所述編碼電信號通過片318被傳輸?shù)郊?15。當(dāng)這些編碼信道的目的地是 外部設(shè)備時，光電子轉(zhuǎn)換器306的轉(zhuǎn)換器塊將編碼信道置于束310的芯片外波導(dǎo)上，在那里 這些編碼信道離開光學(xué)管芯108。當(dāng)外部設(shè)備產(chǎn)生目的地為四個集群314之一的編碼信道 時，這些編碼信道可以沿著束310中的芯片外波導(dǎo)被傳輸?shù)焦怆娮愚D(zhuǎn)換器306，在那里這些 編碼信道被轉(zhuǎn)換為編碼電信號，所述編碼電信號通過片312被傳輸?shù)剿膫€集群314以用于 處理。下面參考圖7提供對光學(xué)管芯108的操作和部件的更詳細(xì)描述。集群和存儲器控制器圖4A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的處理器管芯102的集群402。集群402包括四個 核。每個核與Ll指令高速緩存和Ll數(shù)據(jù)高速緩存進(jìn)行電通信。Ll指令高速緩存和Ll數(shù) 據(jù)高速緩存是高速隨機存取存儲器，其暫時存儲頻繁或最近訪問的指令和數(shù)據(jù)。圖4B示出 依據(jù)本發(fā)明實施例的存儲器-控制器管芯104的塊片404。該塊片404包括L2高速緩存和 部件區(qū)406，該部件區(qū)406包括集線器、存儲器控制器、目錄、網(wǎng)絡(luò)接口、自身交叉開關(guān)連接 和對等交叉開關(guān)連接。這些交叉開關(guān)連接可被配置成與光電子轉(zhuǎn)換器的對應(yīng)部分對接。L2 高速緩存被集群402的四個核共享。L1-L2接口 408被定位在集群402和塊片404的近似 中央，并提供集群402與塊片404之間的電子通信。小型高功率效率的核和高速緩存實現(xiàn)每單位能量近似最佳的可能性能。因此，被選擇用于本發(fā)明的核可以使用5GHz時鐘，并且這些核可以是雙指令執(zhí)行(dual-issue)、順 序執(zhí)行(in-order)以及多線程的并且可被配置成提供單指令多數(shù)據(jù)(“SIMD”)指令以允 許4乘法累加和4字寬加載/存儲操作。SIMD可以是為加速浮點性能而設(shè)計的低級功能的 集合。SIMD過程使得一個指令能夠?qū)Χ嗥瑪?shù)據(jù)執(zhí)行相同的功能，從而減小了為處理數(shù)據(jù)所 需的循環(huán)數(shù)量。利用如上面參考圖3所描述的依據(jù)5GHz時鐘操作的僅僅64個四集群，計 算設(shè)備100的計算帶寬可為10萬億次浮點運算/秒(Tflops/s)。每個集群可以在被稱作 “時期(印och)，，的24個時鐘周期期間發(fā)送至少一個高速緩存線，諸如64到128字節(jié)。圖5示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖4A-4B所示的塊片和集群的部件之間的相互作用 的示意表示。集線器502把編碼電信號分布到L2高速緩存504、目錄506、存儲器控制器 508和網(wǎng)絡(luò)接口 510。集線器502也負(fù)責(zé)傳輸去往和來自光學(xué)管芯108的光電子轉(zhuǎn)換器的 編碼電信號，如上面參考圖3所描述的。網(wǎng)絡(luò)接口 510提供到外部網(wǎng)絡(luò)的連接，并且存儲器 控制器508管理去往和來自L2高速緩存504、圖1所示的存儲器110-113以及外部存儲器 (諸如圖2所示的DMM 216-218)的數(shù)據(jù)流。圖6示出依據(jù)本發(fā)明實施例布置的處理器管芯102的四個集群602、存儲器-控制 器管芯104的四個對應(yīng)塊片604、模擬電子管芯106的片606和光學(xué)管芯108的光電子轉(zhuǎn) 換器608的放大分解等距視圖。如圖6所示，光電子轉(zhuǎn)換器608包括四個單獨的光電子轉(zhuǎn) 換器塊610-613。每個轉(zhuǎn)換器塊經(jīng)由片606與四個塊片604之一進(jìn)行電子通信。特別地， 塊片615與轉(zhuǎn)換器塊610電子通信，塊片616與轉(zhuǎn)換器塊611電子通信，塊片617與轉(zhuǎn)換 器塊612電子通信，以及塊片618與轉(zhuǎn)換器塊613電子通信。轉(zhuǎn)換器塊610-613將從塊片 615-618輸出的編碼電信號分別地轉(zhuǎn)換為編碼信道，所述編碼信道可以在芯片上波導(dǎo)308 的一部分上傳輸以供其它集群處理，或在波導(dǎo)束620上被傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備以用于處理。轉(zhuǎn) 換器塊610-613也將在束620和芯片上波導(dǎo)308中傳輸?shù)木幋a信道轉(zhuǎn)換為編碼電信號，所 述編碼電信號可被四個集群602分開處理。光學(xué)管芯圖7A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)管芯108的示意表示。如圖7A所示且如上面 參考圖3所描述的，光學(xué)管芯108包括270個分離的、近似平行、非交叉的芯片上波導(dǎo)308、 16個近似均勻間隔開的光電子轉(zhuǎn)換器和16個由8個芯片外波導(dǎo)組成的束。芯片上波導(dǎo)308 可以被設(shè)置成蛇形配置從而使得所有270個芯片上波導(dǎo)308可以光子耦合到16個光電子 轉(zhuǎn)換器的每一個。圖7A揭示了每個光電子轉(zhuǎn)換器包括四個轉(zhuǎn)換器塊。換言之，光學(xué)管芯108 包括64個轉(zhuǎn)換器塊，每個轉(zhuǎn)換器塊與存儲器_控制器管芯104的64個塊片之一通信。圖 7A還揭示了定位在蛇形芯片上波導(dǎo)308的相對端部的兩個基本等同的信道源702和704。 源702和704的每個被配置成以相反的方向輸出64個不同信道的相同組到每個芯片上波 導(dǎo)上。方向箭頭706表示從源702輸出的信道被傳輸?shù)姆较颍较蚣^708表示從源704 輸出的信道被傳輸?shù)姆较?。蛇形芯片上波?dǎo)308具有大約1900微米的寬度。本發(fā)明的實施例不限于具有圖7A所示的蛇形形狀的芯片上波導(dǎo)。芯片上波導(dǎo)的 配置可采取任意合適的形狀，所述形狀可取決于光電子轉(zhuǎn)換器的數(shù)量、光電子轉(zhuǎn)換器的布 局以及在光學(xué)管芯上可用的空間量。圖7B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)管芯108的圖7A所示的區(qū)710的放大圖。如 圖7B所示，為了簡化說明起見，僅顯示270個蛇形芯片上波導(dǎo)308中的8個。圖7B揭示了
9這些波導(dǎo)不交叉并且近似平行，諸如波導(dǎo)714和716。芯片上波導(dǎo)308可以是脊波導(dǎo)或光子晶體波導(dǎo)，其橫截面尺寸的范圍從大約0. 25 微米到大約0. 5微米。圖7C示出依據(jù)本發(fā)明實施例的圖7B所示的沿著線7C-7C的芯片上 脊波導(dǎo)308的一部分718的橫截面圖。為了簡化說明起見，芯片上脊波導(dǎo)的部分718表示 設(shè)置在光學(xué)管芯108的表面上的270個芯片上脊波導(dǎo)中的20個。如圖7C所示，脊波導(dǎo)被 設(shè)置成束，每個束具有4個波導(dǎo)，諸如束720。圖7D示出依據(jù)本發(fā)明實施例的兩個近似平行的光子晶體波導(dǎo)的一部分的頂視 圖。在圖7D中，圓圈-諸如圓圈722-表示光學(xué)管芯108的介電或半導(dǎo)體襯底層中的開口的 規(guī)則點陣。沒有開口的區(qū)是光子晶體波導(dǎo)724和726。這些開口可以用空氣或具有比襯底 層的折射率更低的折射率的合適介電材料進(jìn)行填充。開口的規(guī)則點陣創(chuàng)建圍繞波導(dǎo)724和 726的二維布拉格光柵。這個二維布拉格光柵將適當(dāng)波長的ER約束到波導(dǎo)724和726。光子 晶體波導(dǎo)是眾所周知的，并且教科書Fundamentalsof Optical Waveguides,由Katsunari Okamoto 編寫，Elsevier Inc. 2005 ；Optical Waveguide Theory,由 Snyder 禾口 Love 編寫， Chapman and HalljLondoruigss^fPPhotonic Crystals, |il Jean_Michel Lourtioz ^m^, Springer-Verlag, Berlin 2005僅僅是這個領(lǐng)域中的許多參考文獻(xiàn)中的三個。圖8示出依據(jù)本發(fā)明實施例的源702的示意表示。源702包括激光器802以及兩 個星型耦合器804和806。激光器802可以是發(fā)射64個不同波長的未調(diào)制電磁輻射的跑
道型(racetrack)鎖模激光器。每個波長或“信道”由ApX^X3.....λ 64表示，并且每
個信道具有相對恒定的強度。星型耦合器804和806每個包括以把64個信道放置到270 個芯片上波導(dǎo)308中的258個的每個上的樹形結(jié)構(gòu)配置的分束器，如圖8所示。在本發(fā)明 的某些實施例中，激光器802可以是生成Μ+1個激光波長的混合III-V族半導(dǎo)體/Si鎖模 激光器。(例如參見 Α. W. Fang 等人的"Integrated AlGalnAs—silicon evanescent race track laser andphotodetectors，，，Optics Express 15,2315(2007)。)光學(xué)管芯108在24個時鐘周期的時期中同步操作?？捎玫奈淳幋a信道被成組為 可以在單個時期中發(fā)送高速緩存線、或廣播消息或控制消息的邏輯信道。一個邏輯信道在 一個時期中可以傳送一個高速緩存線或控制消息。把信道成組為邏輯信道是以容許集群每 4個(24個時鐘周期/6個信道)時鐘周期接收和發(fā)送多達(dá)一個高速緩存線的方式完成的， 從而產(chǎn)生10太字節(jié)/秒[64集群X (128字節(jié)/4時鐘)X 5GHz]的總帶寬。光電子轉(zhuǎn)換器圖9A-9B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的兩個類型的光電子轉(zhuǎn)換器的示意表示。在圖9A 中，第一光電子轉(zhuǎn)換器900包括光子耦合到四個芯片外通信集線器905-908的四個轉(zhuǎn)換器 塊901-904。通信集線器905-908每個光子耦合到束911-914，其中每個束包括8個芯片外 波導(dǎo)。在圖9B中，第二光電子轉(zhuǎn)換器920包括相同的四個轉(zhuǎn)換器塊901-904，這四個轉(zhuǎn)換器 塊901-904光子耦合到成組為單個設(shè)備922的芯片外通信集線器。束911-914經(jīng)由串行化 /反串行化設(shè)備924而光子耦合到設(shè)備922。圖10示出依據(jù)本發(fā)明實施例的轉(zhuǎn)換器塊1000的部件的示意表示。轉(zhuǎn)換器塊1000 包括廣播系統(tǒng)1002、數(shù)據(jù)/控制塊1004、仲裁系統(tǒng)1006和芯片外通信集線器1008。下面 參考圖18和19更詳細(xì)地描述仲裁系統(tǒng)1600的操作和架構(gòu)。廣播系統(tǒng)1002允許相關(guān)集群 大約同時發(fā)送數(shù)據(jù)到所有其它集群。數(shù)據(jù)/控制塊1004專用于存儲器-控制器管芯104
10的特定塊片并且將編碼信道轉(zhuǎn)換成被傳輸?shù)皆撎囟▔K片的編碼電信號并且將從該塊片輸 出的編碼電信號轉(zhuǎn)換成被傳輸?shù)接嬎阍O(shè)備中的另一個集群的編碼信道。下面參考圖11-13 更詳細(xì)地描述數(shù)據(jù)/控制塊1004的架構(gòu)實施例。仲裁系統(tǒng)1006給予集群在給定的時期中 使用波導(dǎo)束或集群的權(quán)利。如圖10所示，270個芯片上波導(dǎo)308中的兩個專用于廣播系統(tǒng) 1002，芯片上波導(dǎo)308中的十二個專用于仲裁系統(tǒng)1006，以及芯片上波導(dǎo)308中的256個專 用于數(shù)據(jù)/控制塊1004。這256個芯片上波導(dǎo)被布置成64個束。該64個束中的每束包括 專用于存儲器管芯102中的特定塊片的4個芯片上波導(dǎo)。圖10也包括表示轉(zhuǎn)換器塊1000的部件的尺寸的參數(shù)Wl、w2, w3> W4和w5。在某些 實施例中，W1的范圍可以近似為2100-2400微米，W2的范圍可以近似為1700-2100微米，W3 的范圍可以近似為32-44微米，W4的范圍可以近似為80-120微米，而W5的范圍可以近似為 500-600微米。優(yōu)選地，W1可以近似為2290微米，W2可以近似為1900微米，W3可以近似為 38微米，W4可以近似為100微米，而W5可以近似為530微米，但這些尺寸和范圍可以根據(jù)實 施方式而改變。圖11示出依據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)/控制塊1100的示意表示。數(shù)據(jù)/控制塊 1100表示光學(xué)管芯102中的64個數(shù)據(jù)/控制塊的第N個。水平線1101-1109表示與64個 數(shù)據(jù)/控制塊的每個相關(guān)聯(lián)的64個由4個芯片上波導(dǎo)組成的束中的僅9個束(未示出其 余55個束)。這些束從上到下也被標(biāo)記成1到64，每個標(biāo)記對應(yīng)于特定的數(shù)據(jù)/控制塊。 每個數(shù)據(jù)/控制塊使用特定束來接收從其它63個數(shù)據(jù)/控制塊輸出的編碼信道。其余63 個束被數(shù)據(jù)/控制塊用來發(fā)送編碼信道到其它63個數(shù)據(jù)/控制塊。例如，如圖11所示，數(shù) 據(jù)/控制塊1100具有光子耦合到束1到N-I和束N+1到64的63個成束波導(dǎo)調(diào)制器，諸如 成束波導(dǎo)調(diào)制器1110。數(shù)據(jù)/控制塊1100也具有光子耦合到第N束1105的兩個成束波導(dǎo) 檢測器1112和1114。數(shù)據(jù)/控制塊1100在第一到N-I束和N+1到第64束的每個芯片上 波導(dǎo)中接收來自源702和704的64個未編碼(即未調(diào)制)信道。如圖11所示，數(shù)據(jù)/控制塊1100被配置成使用由源702提供的未編碼信道來生 成目的地為數(shù)據(jù)/控制塊N+1到第64的編碼信道并且使用由源704提供的未編碼信道來 生成目的地為數(shù)據(jù)/控制塊1到N-I的編碼信道。例如，如圖11所示，數(shù)據(jù)/控制塊1100 在束1101-1104上接收發(fā)自源704的未編碼信道，如由方向箭頭1116-1120所指示的，并且 使用光子耦合到束1101-1104的成束波導(dǎo)調(diào)制器來在這些未編碼信道1116-1120中編碼 目的地為數(shù)據(jù)/控制塊1到N-I的數(shù)據(jù)。另一方面，數(shù)據(jù)/控制塊1100也在束1106-1109 上接收發(fā)自源702的未編碼信道，如由方向箭頭1121-1125所指示的，并且使用光子耦合到 束1106-1109的成束波導(dǎo)調(diào)制器來在未編碼信道1112-1125中編碼目的地為數(shù)據(jù)/控制塊 N+1到64的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)/控制塊1100使用成束波導(dǎo)檢測器1112和1114來接收由其它63 個數(shù)據(jù)/控制塊發(fā)送的編碼信道1120和1121。圖12示出依據(jù)本發(fā)明實施例的三個數(shù)據(jù)/控制塊的示意表示。如圖12所示，第 二數(shù)據(jù)/控制塊1202被配置成在第二束1102上接收編碼信道，而第63數(shù)據(jù)/控制塊1204 被配置成在第63束1108上接收編碼信道。數(shù)據(jù)/控制塊1100和1204以及其它未示出的 數(shù)據(jù)與控制塊使用束1102來發(fā)送編碼信道到第二數(shù)據(jù)/控制塊1202。這些編碼信道未受 干擾地通過位于其間的數(shù)據(jù)/控制塊。數(shù)據(jù)/控制塊1100和1202以及其它未示出的數(shù)據(jù) 與控制塊使用束1108來發(fā)送編碼信道到第63數(shù)據(jù)/控制塊1204。這些編碼信道未受干擾地通過位于其間的數(shù)據(jù)/控制塊。下面參考圖13和14更詳細(xì)地描述成束波導(dǎo)調(diào)制器和檢 測器的操作和架構(gòu)。注意，在本發(fā)明的其它實施例中，數(shù)據(jù)/控制塊1100也可以被配置成使用由源702 提供的未編碼信道來生成目的地為數(shù)據(jù)/控制塊1到N-I的編碼信道并且使用由源704提 供的未編碼信道來生成目的地為數(shù)據(jù)/控制塊N+1到64的編碼信道。成束波導(dǎo)調(diào)制器和成束波導(dǎo)檢測器是近乎等同配置的設(shè)備。圖13示出依據(jù)本發(fā) 明實施例的放大的成束調(diào)制器/檢測器1300的示意表示。如上面參考圖11-12描述的，成 束波導(dǎo)調(diào)制器/檢測器1300在由四個芯片上波導(dǎo)1301-1304組成的束上接收信道。成束 波導(dǎo)調(diào)制器/檢測器1300包括四個波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)，諸如波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1306。這四個波導(dǎo) 微環(huán)系統(tǒng)包括近似平行的波導(dǎo)1301-1304，但是波導(dǎo)1301-1304之間的間距的范圍可以近 似為10-14微米，其大于在成束波導(dǎo)調(diào)制器/檢測器1300外部的成束波導(dǎo)1301-1304之間 的間距。每個波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)包括64個微環(huán)，諸如微環(huán)1308。這64個微環(huán)鄰近每個波導(dǎo)并 且分布在沿著每個波導(dǎo)長度的相對側(cè)上。每個微環(huán)被配置成與沿著光子耦合的波導(dǎo)傳輸?shù)?64個信道之一諧振。下面參考圖17描述微環(huán)的配置。圖13也包括表示波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1300的部件的尺寸的參數(shù)、、t2、t3和t4。在某些 實施例中，、的范圍可以近似為45-65微米，t2的范圍可以近似為200-300微米，t3的范圍 可以近似為0. 5-5微米，而t4的范圍可以近似為1-10微米。優(yōu)選地，、可以近似為57. 5 微米，t2可以近似為255微米，t3可以近似為2微米，而t4可以近似為5微米，但是本發(fā)明 不限于這些尺寸或尺寸范圍。這些尺寸和尺寸范圍可以根據(jù)實施方式而改變。圖14示出依據(jù)本發(fā)明實施例的芯片外通信集線器1400。芯片外通信集線器1400 包括芯片外波導(dǎo)調(diào)制器1401和芯片外波導(dǎo)檢測器1402，其總尺寸為大約200-300微米X 大約100-200微米，但是這些尺寸可以根據(jù)實施方式而改變。芯片外波導(dǎo)調(diào)制器1401包括 四個波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1403-1406。波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1403-1406的每個包括64個微環(huán)和芯片外波 導(dǎo)的一部分。波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1403-1406的波導(dǎo)分別經(jīng)由四個分束器1408-1411而光子耦合 到芯片上波導(dǎo)1407。波導(dǎo)1407承載64個未編碼信道，所述未編碼信道被分束器1408-1411 放置到波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1403-1406中，所述波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1403-1406然后被用來把數(shù)據(jù)編碼 到由四個對應(yīng)塊片生成的64個未編碼信道中，如下面參考圖15A所描述的。芯片外波導(dǎo)檢 測器1402包括四個波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1412-1415，所述波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1412-1415也包括用于從 外部設(shè)備-諸如芯片外存儲器-接收編碼信道的四個芯片外波導(dǎo)。波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1412-1415 被用來把編碼信道轉(zhuǎn)換成被傳輸?shù)剿膫€電子耦合塊片的對應(yīng)編碼電信號。圖15示出依據(jù)本發(fā)明實施例的廣播系統(tǒng)1500。廣播1500包括廣播調(diào)制器1502 和廣播檢測器1504，其面積尺寸近似為400-600微米X 20-40微米，但是這些尺寸可以根據(jù) 實施方式而改變。廣播調(diào)制器1502包括分別光子耦合到兩個芯片上波導(dǎo)1510和1512的 兩個波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1506和1508。廣播檢測器1504包括分別經(jīng)由分束器1518和1520而光 子耦合到波導(dǎo)1510和1512的兩個波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1514和1516。廣播系統(tǒng)1500被用來近似 同時地發(fā)送數(shù)據(jù)到所有其它集群和接收來自所有其它集群的數(shù)據(jù)。注意，盡管上面參考圖9-15針對64集群計算設(shè)備描述了本發(fā)明的光電子轉(zhuǎn)換器 實施例，但是本發(fā)明的實施例不受此限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會立即意識到，這些實施例可 以被擴大或縮小以適應(yīng)具有任何數(shù)量的集群的計算設(shè)備。
波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)的操作圖16A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的可以用來在64個未編碼信道中編碼數(shù)據(jù)的波導(dǎo)
微環(huán)系統(tǒng)。在圖16A中，64個未編碼(即未調(diào)制)信道λ^ λ2、λ3.....λ64由波導(dǎo)1602
承載。64個微環(huán)的每個被配置成與信道之一諧振從而使得可以經(jīng)由到相關(guān)鄰近微環(huán)的漸 逝耦合來提取每個信道。例如，微環(huán)1604被配置成與信道入工諧振。當(dāng)信道入工沿著波導(dǎo) 1602傳輸時，信道λ i的大部分被漸逝耦合到微環(huán)1604中。可以通過對微環(huán)施加“導(dǎo)通” 和“斷開”電壓的模式而以信道的強度編碼信息。電壓使微環(huán)的折射率偏移，這進(jìn)而調(diào)制沿 著波導(dǎo)1602傳輸?shù)男诺赖膹姸?。電壓的模式可對?yīng)于從存儲器-控制器管芯104中的對 應(yīng)塊片輸出的數(shù)據(jù)串。例如，由存儲器-控制器管芯104的塊片產(chǎn)生的適當(dāng)“導(dǎo)通”電壓可 對應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)“1”，而“斷開”電壓可對應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)“0”。當(dāng)“導(dǎo)通”電壓被施加到微環(huán) 時，微環(huán)的諧振被偏移并且沿著鄰近波導(dǎo)傳輸?shù)膶?yīng)信道不會漸逝耦合到該微環(huán)中。換言 之，當(dāng)施加“導(dǎo)通”電壓時，信道的強度在信道通過微環(huán)時保持相對不變。然而，一旦電壓被 “關(guān)斷”，信道就被漸逝耦合到微環(huán)中并且通過微環(huán)的信道的強度下降。結(jié)果，以“導(dǎo)通”和 “斷開”電壓的模式編碼的相同數(shù)據(jù)可以以信道的強度被編碼，其中相對高的強度對應(yīng)于二 進(jìn)制數(shù)“ 1，，而相對低的強度對應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)“ 0 ”。圖16B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的可以用來從波導(dǎo)中提取64個編碼信道的波導(dǎo)微 環(huán)系統(tǒng)。在圖16B中，64個編碼信道不，I2, X3,..石4被輸入到檢測器塊的波導(dǎo)1606。 這64個微環(huán)的每個被配置成與64個信道之一諧振從而使得每個信道可以經(jīng)由到鄰近微環(huán) 中的漸逝耦合而被提取。例如，當(dāng)沿著波導(dǎo)1606傳輸編碼信道$時，與信道$相關(guān)聯(lián)的高 和低強度被漸逝耦合到微環(huán)1608中。與信道^；相關(guān)聯(lián)的相對高和低強度的模式創(chuàng)建橫跨 微環(huán)1608的高和低電壓的對應(yīng)模式。這種電壓模式然后作為編碼相同信息的電信號被傳 輸?shù)酱鎯ζ鱛控制器管芯104中的相關(guān)塊片。微環(huán)圖17示出依據(jù)本發(fā)明實施例的微環(huán)1700的示意表示。微環(huán)1700被定位成緊密 接近波導(dǎo)1702。在某些實施例中，微環(huán)1700包括本征半導(dǎo)體，在微環(huán)1700內(nèi)部的半導(dǎo)體襯 底中形成有P型半導(dǎo)體區(qū)1704，以及在圍繞微環(huán)1700外部的以及在波導(dǎo)1702的相對側(cè)的 半導(dǎo)體襯底中形成有η型半導(dǎo)體區(qū)1706。這些區(qū)1704、1706和微環(huán)1700形成可以用作光 電二極管或調(diào)制器的p-i-n結(jié)，如上面參考圖16所描述的。波導(dǎo)1702可以是如上面參考 圖13-15所描述的芯片上或芯片外波導(dǎo)。波導(dǎo)1702的傳輸可對信道波長敏感并且可在該 信道處于與微環(huán)1700諧振時極大地減小，因為信道漸逝耦合到微環(huán)1700中。微環(huán)1700的 諧振可以通過對區(qū)1704和1706施加適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏鞫浑娮诱{(diào)制。微環(huán)1700可以被 配置成使得當(dāng)沒有電壓或電流被施加到微環(huán)時，特定信道與微環(huán)1700諧振并且漸逝耦合 到微環(huán)1700中。當(dāng)適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏鞅皇┘拥轿h(huán)1700時，微環(huán)1700的諧振被偏移并且 相同信道不受干擾地傳播經(jīng)過波導(dǎo)1702。另一方面，微環(huán)1700也可以被配置成使得當(dāng)電壓 或電流被施加到微環(huán)1700時，特定信道與微環(huán)1700諧振并且漸逝耦合到微環(huán)1700中。當(dāng) 電壓或電流被“關(guān)斷”時，微環(huán)1700的諧振被偏移并且相同信道不受干擾地傳播經(jīng)過波導(dǎo) 1702。對于微環(huán)調(diào)制器的示例，參見Q. Xu等人的“12. 5Gbit/s carrier-injection-based silicon microring siliconmodulators，，，Optics Express 15,430(2007)。
仲裁這些集群可以作為資源以及對其它資源的請求器而操作。然而，情況可能是兩個 或更多集群在相同時期期間請求對相同資源(諸如特定集群)的訪問。本發(fā)明的每個集群 被電子耦合到對應(yīng)的仲裁系統(tǒng)以便避免這些種類的沖突。為了簡明和簡化起見，執(zhí)行仲裁 的以下描述是使用依據(jù)本發(fā)明實施例的僅包括四個集群的示例性計算設(shè)備的示意表示來 描述的。隨后，下面參考圖19來描述仲裁系統(tǒng)實施例的描述。圖18A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的示例性四集群、層疊計算設(shè)備1800的示意表 示。計算設(shè)備1800包括與四個對應(yīng)的數(shù)據(jù)/控制塊1805-1808電子通信的四個集群 1801-1804。計算設(shè)備1800也包括第一源1810和第二源1812。這些源1810和1812可以
被配置成發(fā)射64個未編碼信道\ λ、\ 2、\......λ 64到四個波導(dǎo)束1814-1817的每個波
導(dǎo)上，如上面參考圖8所描述的。每個數(shù)據(jù)/控制塊在特定束上接收數(shù)據(jù)和控制信道并且 使用其余信道來發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信道到其它集群。例如，數(shù)據(jù)/控制塊1806包括如上面對 于圖11-12所描述的那樣被配置和操作的三個成束波導(dǎo)調(diào)制器1821-1823和成束波導(dǎo)解調(diào) 器1820。集群1801-1804每個與仲裁系統(tǒng)1830電子通信。圖18Β示出依據(jù)本發(fā)明實施例的仲裁系統(tǒng)1830的示意表示。仲裁系統(tǒng)1830包括 光子耦合到源1834的功率波導(dǎo)1832、與功率波導(dǎo)1832光子通信的環(huán)形波導(dǎo)1836以及四個 光轉(zhuǎn)移器(diverter)，在這個實施例中所述光轉(zhuǎn)移器是波長選擇元件1837-1840。在這個 示例性討論中，波長選擇元件被實施為微環(huán)。源1834是光源。光源的示例包括激光源，發(fā) 光二極管或從另一個系統(tǒng)接收的光。仲裁系統(tǒng)1830也包括位于環(huán)形波導(dǎo)1836內(nèi)的4組4 個內(nèi)部微環(huán)1841-1844。源1834發(fā)射四個未調(diào)制信道λ，^ λ，2、λ，3和λ，4到功率波 導(dǎo)1832上。微環(huán)組1841-1844的每個與四個集群1801-1804之一電子通信。特別地，微環(huán) 組1841的微環(huán)與集群11801電子通信，微環(huán)組1842的微環(huán)與集群21802電子通信，微環(huán)組 1843的微環(huán)與集群31803電子通信，而微環(huán)組1844的微環(huán)與集群41804電子通信。內(nèi)部微 環(huán)被配置為如上面參考圖17所描述的p-i-n結(jié)光電二極管。注意，對于64集群計算設(shè)備 100，不需要分離的源1834，如下面參考圖19所描述的。如圖18B所示，四個微環(huán)1837-1840和內(nèi)部微環(huán)1841-1844每個用信道名稱λ \、 λ ’ 2、λ ’ 3和λ ’ 4進(jìn)行標(biāo)記。這些名稱標(biāo)識每個微環(huán)與其諧振的并且可以從鄰近波導(dǎo)漸 逝耦合的信道。例如，微環(huán)1837-1844每個被單獨地配置成分別與信道λ，工、λ，2、λ，3和 λ，4的僅僅之一諧振。特別地，微環(huán)1837-1840分別把信道λ，ρ λ，2、λ，3和λ，4從功 率波導(dǎo)1832中的順時針方向1846漸逝耦合到環(huán)形波導(dǎo)1836中的逆時針方向1848上。以相同的方式，內(nèi)部微環(huán)1841-1844也漸逝耦合來自環(huán)形波導(dǎo)1836的特定信道， 但是內(nèi)部微環(huán)必須被對應(yīng)集群激活或“導(dǎo)通”。例如，微環(huán)1841所有都可以被配置為信道 λ，” λ，2、λ，3和 λ，4 的模截止諧振頻率的 l/2(l/2a mode off of the resonance frequency)。結(jié)果，信道λ，^ λ，2、λ ’ 3和λ ’ 4沿著環(huán)形波導(dǎo)1836不受干擾地通過微 環(huán)1841。然而，對應(yīng)集群11801可以發(fā)送適當(dāng)?shù)碾娏饕约せ钐囟ㄎh(huán)從而使該微環(huán)偏移成 與相關(guān)信道諧振。微環(huán)然后可以漸逝耦合來自環(huán)形波導(dǎo)1836的信道以在微環(huán)內(nèi)諧振。例 如，集群11801可以“導(dǎo)通”微環(huán)1850從而使得信道λ ’ 3被從環(huán)形波導(dǎo)1836漸逝耦合以 在微環(huán)1850內(nèi)諧振。除非組1841內(nèi)的其它微環(huán)被“導(dǎo)通”，否則信道λ \、λ ’2和λ ’4不 受干擾地通過。
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現(xiàn)在參考圖18A和18B來描述使用仲裁系統(tǒng)1830來確定四個集群1801-1804之 一是否可用于接收數(shù)據(jù)。恰好在每個時期之前，每個集群被分配從源1834發(fā)射的四個信道 之一，并且集群1801-1804知曉集群到信道的分配。這些分配可以是隨機的或者是基于確 保集群的公平利用的方法，并且可以在新時期開始之前的時期(在示例性實施方式中為時 期的1/3)期間進(jìn)行。這些集群到信道的分配被集群用來確定哪些集群可用于接收數(shù)據(jù)以 進(jìn)一步處理。在一個實施例中，每時期的信道分配初始可以被預(yù)定并且存儲于在每個集群 處可訪問的查找表中，并且計算機邏輯用來依據(jù)方案更新每時期的集群到信道的分配。這 種方案的示例是循環(huán)方案。在一個實施例中，仲裁器分散在若干管芯上。存儲器控制器管芯104上的交叉開 關(guān)(x-bar)連接確定從仲裁器請求什么。該請求通過模擬管芯106被傳遞到環(huán)狀調(diào)制器 (ring modulator)和波導(dǎo)所處于的光學(xué)管芯108。該請求嘗試在光學(xué)管芯108上轉(zhuǎn)移信道 并且該信道要么被轉(zhuǎn)移并被檢測要么沒有。所得到的電信號使其向下回到交叉連接，所述 交叉連接把電信號解釋為要或不要通過在下一時期上向調(diào)制器發(fā)送數(shù)據(jù)來使用邏輯信道。例如考慮在時期開始之前表I所示的集群到信道的分配 如表I所顯示的，集群11801被分配信道λ \，集群21802被分配信道λ’2，等等。 假設(shè)集群11801和集群41804兩者都想要使用集群31803來處理數(shù)據(jù)。返回到圖18Β，集群 11801 “導(dǎo)通”微環(huán)1850并且集群41804也導(dǎo)通微環(huán)1852。信道λ，3從功率波導(dǎo)1832經(jīng) 由微環(huán)1839漸逝耦合到環(huán)形波導(dǎo)1836上，其中信道λ ’ 3然后正好在微環(huán)1839之后沿著 環(huán)形波導(dǎo)1836以逆時針方向1848傳播。在信道λ ’ 3可以到達(dá)微環(huán)1852之前，微環(huán)1850 從環(huán)形波導(dǎo)1836中提取信道λ ’ 3。在微環(huán)1850中諧振的信道λ ’ 3生成被發(fā)送到集群 11801的電信號。返回到圖18Α，當(dāng)這個電信號超過閾值時，該電信號在集群11801中被檢 測到。檢測到這個信號后，集群11801在后續(xù)的時期期間傳輸數(shù)據(jù)到調(diào)制器1856，該調(diào)制器 1856在從源1810輸出的未調(diào)制信道中編碼數(shù)據(jù)。這些編碼(即調(diào)制)信道然后沿束1816 被流傳送到檢測器1858并且由集群31803處理，如上面參考圖12所描述的。在這個特定 的時期中，集群11801獲得對集群31803的訪問而集群41804不得不等待后續(xù)的時期?，F(xiàn)在假設(shè)集群11801和集群41804兩者都想要再次使用集群31803來處理數(shù)據(jù)。 但在這種情況下，假設(shè)在時期開始之前集群到信道的分配是如表II所示表 II 如表II所顯示的，集群31803現(xiàn)在已被分配信道λ，4。返回到圖18Β，集群 11801 “導(dǎo)通”微環(huán)1860并且集群41804也“導(dǎo)通”微環(huán)1862。信道λ，4從功率波導(dǎo)1832 經(jīng)由微環(huán)1840漸逝耦合到環(huán)形波導(dǎo)1836上，其中信道λ ’ 4然后正好在微環(huán)1840之后沿 著環(huán)形波導(dǎo)1836以逆時針方向1848傳播。然而，在這個時期之前，微環(huán)1862從環(huán)形波導(dǎo) 1836中提取信道λ ’ 4，之后信道λ ’ 4可以到達(dá)微環(huán)1860。信道λ ’ 4在微環(huán)1862中諧振 并且生成被發(fā)送到集群41804的電信號。現(xiàn)在返回到圖18Α，當(dāng)這個電信號超過閾值時，集 群41804檢測到這個信號。檢測到這個信號后，集群41804在后續(xù)的時期期間傳輸數(shù)據(jù)到 集群31803以進(jìn)行處理，如上面所描述的。在這個特定的時期中，集群41804獲得對集群 31803的訪問而集群11801不得不等待后續(xù)的時期。圖19示出依據(jù)本發(fā)明實施例的對應(yīng)于相關(guān)集群N的仲裁系統(tǒng)1900。仲裁系統(tǒng)包 括八個仲裁器1901-1908。每個仲裁器包括波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)以及光子耦合到四個中央波導(dǎo) 1911-1914之一的微環(huán)。例如，仲裁器1901包括波導(dǎo)微環(huán)系統(tǒng)1916以及光子耦合到中央波 導(dǎo)1911的微環(huán)1918。仲裁器1901可以被集群N用來確定所請求的集群M是否可用于接收 數(shù)據(jù)，并且連接到相同波導(dǎo)1920的其它仲裁器(未示出)為其相關(guān)集群做同樣的事情。為簡化起見，假定仲裁系統(tǒng)1900表示計算機設(shè)備100的64個仲裁系統(tǒng)之一，諸 如圖10所示的仲裁系統(tǒng)1006。假定所有64個集群使用連接到波導(dǎo)1920的仲裁器來確定 哪個集群可用于接收數(shù)據(jù)。諸如源702或源704的源以方向1922把64個信道λ ρ λ 2、
λ3.....λ 64放置到波導(dǎo)1911中。每個仲裁器包括微環(huán)-諸如微環(huán)1918，其從功率波導(dǎo)
1911中提取信道λ^ λ2、λ3.....λ 64之一并且將對應(yīng)的信道放置到波導(dǎo)1920上以沿方
向1924傳播。例如，微環(huán)1918可以被配置成從功率波導(dǎo)1911中提取信道λΝ。波導(dǎo)微環(huán) 系統(tǒng)1916的64個微環(huán)每個被配置成當(dāng)施加適當(dāng)?shù)碾娏鲿r提取由波導(dǎo)1920承載的64個未
調(diào)制信道λ:、入2、入3.....X64之一。現(xiàn)在假設(shè)集群N想要發(fā)送數(shù)據(jù)到集群M以在下一時
期期間進(jìn)行處理。在先前時期的該最后1/3期間，集群N確定在集群到信道的分配中已給 集群M分配了信道λ63。集群N通過“導(dǎo)通”微環(huán)1922做出響應(yīng)。因為微環(huán)1918被配置 成僅提取信道λΝ，所以信道λ63由連接到波導(dǎo)I920的不同仲裁器(未示出)從功率波導(dǎo) 1911中提取并且信道λ63以方向1924沿著波導(dǎo)1920被傳輸回來。假若信道λ 63不被也 想使用集群M來處理數(shù)據(jù)的集群的仲裁器攔截，則經(jīng)由到微環(huán)1922中的漸逝耦合提取信道 入63，該微環(huán)1922生成在閾值之上的電信號。集群N通過如上面參考圖12所描述的那樣傳 輸數(shù)據(jù)到集群M來做出響應(yīng)。如果在信道λ 63到達(dá)微環(huán)1922之前信道λ 63被另一個集群 K提取，則該集群K可以傳輸數(shù)據(jù)到集群M進(jìn)行處理，并且集群N等待下一集群到信道的分 配和下一時期。注意，盡管已描述了八個仲裁器1901-1908之一的操作，但是若干其它仲裁器可以用來確定其它集群是否可用并且可以用來確定外部設(shè)備是否可用。這些確定可以在時期 期間的不同時間做出。如上面所討論的，除了多核計算設(shè)備的說明性示例之外，光子互連和仲裁系統(tǒng)實 施例可以被實施在其它的計算機系統(tǒng)設(shè)備(例如也可以具有三維層疊且多個存儲器控制 器的存儲器系統(tǒng)設(shè)備)中。上面在圖18A到圖19的背景下討論的全光學(xué)仲裁系統(tǒng)實施例說明了一種組合仲 裁與功率傳送的系統(tǒng)并且也說明了與不同資源(例如計算機系統(tǒng)設(shè)備中的集群)相關(guān)聯(lián)的 邏輯光學(xué)信道的變化或不固定的分配。這提供如上面所討論的公平性。圖20A說明依據(jù)本發(fā)明另一個實施例的其中優(yōu)先級方案是固定(不公平)的全光 學(xué)仲裁系統(tǒng)的示意圖。仲裁系統(tǒng)2000可為光子互連的一部分或者可應(yīng)用于光學(xué)互連的整 個部分。示出了示例性仲裁光學(xué)部分2002，并且也圖解了數(shù)據(jù)路徑光學(xué)部分2004以示出與 接收方計算機系統(tǒng)部件相關(guān)聯(lián)的光學(xué)接收器2016的相對位置，在時間段窗口(例如時期) 中請求將數(shù)據(jù)發(fā)送到所述接收方計算機系統(tǒng)部件。在這個示例中，數(shù)據(jù)部分使其自己的光 輸入用要從贏得仲裁的相關(guān)計算機系統(tǒng)部件發(fā)送到與216相關(guān)聯(lián)的期望接收方部件的數(shù) 據(jù)進(jìn)行調(diào)制。光輸入2003可以是從自激光源2006產(chǎn)生的信號中轉(zhuǎn)移或分離的一部分光， 在這種情況下光輸入將是未調(diào)制的。然而，用于數(shù)據(jù)路徑光學(xué)部分2004的光功率2003不 是從與仲裁系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的光轉(zhuǎn)移器(例如“0a”、“l(fā)a”或“2a”)接收或傳送的。激光源2006沿著功率波導(dǎo)2008提供作為光的功率。每個光轉(zhuǎn)移器0a、la、Ib在 依據(jù)仲裁方案或協(xié)議被允許時耦合來自功率波導(dǎo)2008的光。對于這個示例，第零光轉(zhuǎn)移器 Oa最靠近來自激光源2006的光路，第一光轉(zhuǎn)移器Ia次最靠近(next closest)激光源2006 的光路，而第二光轉(zhuǎn)移器2a光學(xué)上離激光源2006最遠(yuǎn)。仲裁系統(tǒng)2000由仲裁部分2002 表示，該仲裁部分2002包括光轉(zhuǎn)移器0a、Ia和2a以及相應(yīng)的檢測器，所述相應(yīng)的檢測器包 括耦合在第零光轉(zhuǎn)移器Oa和仲裁器0邏輯之間的第零檢測器2018、耦合在第一光轉(zhuǎn)移器 Ia和仲裁器1邏輯之間的第一檢測器2022以及耦合在第二光轉(zhuǎn)移器2a和仲裁器2邏輯之 間的第二檢測器2026。每個仲裁器邏輯單元與計算機系統(tǒng)設(shè)備的計算機系統(tǒng)部件相關(guān)聯(lián)。 在一個實施例中，光轉(zhuǎn)移器(0a、la、2a)可以是無源光學(xué)分接頭(tap)或無源分光器，相應(yīng) 的光學(xué)檢測器(2018、2022、2026)耦合到所述無源光學(xué)分接頭或無源分光器以接收任何轉(zhuǎn) 移的光。每個光轉(zhuǎn)移器也可以被實施為如在上面介紹的多核示例中的波長選擇元件，諸如 環(huán)狀調(diào)制器。當(dāng)光轉(zhuǎn)移器環(huán)狀調(diào)制器也可以生成其自己的電通知信號時，可以不需要附加 的檢測器2018、2022和2026。如果與光轉(zhuǎn)移器0a、la和2a相關(guān)聯(lián)的任一計算機系統(tǒng)部件 請求傳輸信號到與接收器216相關(guān)聯(lián)的部件，則相關(guān)計算機系統(tǒng)部件的仲裁器邏輯(0、1、 2)發(fā)送激活信號到其相應(yīng)的環(huán)狀調(diào)制器光轉(zhuǎn)移器0a、la和2a。在說明的示例中，仲裁器1 激活光轉(zhuǎn)移器la，該光轉(zhuǎn)移器Ia將來自激光源2006的光轉(zhuǎn)移到第一檢測器2022，該第一 檢測器2022發(fā)送電信號以向仲裁器1邏輯通知轉(zhuǎn)移器Ia成功地轉(zhuǎn)移了來自功率波導(dǎo)2008 的光并且部件1可以在下一指定的時間段(例如時期)上發(fā)送其數(shù)據(jù)到與光學(xué)接收器2016 相關(guān)聯(lián)的部件。可以使用的另一種類型的調(diào)制器是信道捷變調(diào)制器。仲裁器1邏輯可以向請求部件(例如存儲器控制器或核或網(wǎng)絡(luò)接口)通知其請求 接著可以被滿足。仲裁器1邏輯可以激活調(diào)制器Ib以將該請求或請求的數(shù)據(jù)編碼到光輸入2003的光學(xué)信號上從而在一個或多個波長信道中發(fā)送到數(shù)據(jù)波導(dǎo)2030上，所述一個或 多個波長信道可以構(gòu)成可以被光學(xué)接收器2016接收的邏輯信道。在這個示例中，來自激光 源2006的光可以被調(diào)制(例如，通知贏得仲裁)，因為其未被用作仲裁系統(tǒng)部分2002之外 的功率源。功率傳送不與仲裁光源耦合的獨立仲裁可以支持其中一個仲裁可以導(dǎo)致使用多 個波導(dǎo)或邏輯信道的情況。用于仲裁信號的一個或多個特定波長表示邏輯信道可用但是不 表示接收方部件需要通過那些相同的特定波長進(jìn)行通信。在這個示例中，計算機系統(tǒng)部件1贏得了仲裁。光轉(zhuǎn)移器Ia對光的轉(zhuǎn)移也防止來 自激光源2006的光到達(dá)光轉(zhuǎn)移器2a。仲裁器2邏輯確定其仍然未被準(zhǔn)予訪問并且必須至 少等待下一指定的時間段以便發(fā)送其數(shù)據(jù)。這個示例例證了仲裁系統(tǒng)2000具有固定的優(yōu) 先級仲裁方案并且其不一定公平，因為在被給予對與光學(xué)接收器2016相關(guān)聯(lián)的部件的訪 問方面部件0總是比部件1優(yōu)先，而部件1又總是比部件2優(yōu)先。圖20A(和下面的20B)說明了包括光學(xué)仲裁模塊的仲裁模塊的三個示例。每個仲 裁模塊包括仲裁器邏輯單元(仲裁器0、1和2)，通過仲裁器邏輯單元，一組計算機系統(tǒng)部 件可以相互作用以訪問光子互連；以及相關(guān)光學(xué)仲裁模塊，其可以轉(zhuǎn)移來自功率波導(dǎo)2008 的光以指示已經(jīng)依據(jù)仲裁方案準(zhǔn)予了訪問。圖20B說明仲裁系統(tǒng)實施例的另一個版本2001，其中到光子互連的另一個功能部 分(諸如數(shù)據(jù)傳輸)的光功率傳送與仲裁耦合或組合。其中調(diào)制器“0b”、“l(fā)b”和“2b”被 定位成接收分別由光轉(zhuǎn)移器0a、Ia和2a轉(zhuǎn)移的來自激光器2006的未調(diào)制光功率。來自被 準(zhǔn)予訪問的計算機系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)或請求被編碼到未調(diào)制光上從而通過波導(dǎo)2030上的在 仲裁中贏得的所分派的一個或多個光子互連數(shù)據(jù)信道進(jìn)行傳輸。為便于說明起見，一個或多個仲裁信道被描繪成穿過與光子互連的數(shù)據(jù)信道部分 分離的波導(dǎo)。然而，構(gòu)成仲裁和數(shù)據(jù)信道的波長可以被波分復(fù)用并且可以由相同的光學(xué)波 導(dǎo)承載。圖21是可以采用這樣的仲裁方案的仲裁系統(tǒng)2001的示意圖，在所述仲裁方案中 多個計算機系統(tǒng)部件可以被準(zhǔn)予對多個接收部件的訪問而不用提高所使用的波導(dǎo)數(shù)量。在這個示例中，激光源2006不僅如圖20B中所描述的傳送未調(diào)制的光功率而且輸 出被波分復(fù)用(WDM)或密集波分復(fù)用(DWDM)的離散波長的未調(diào)制光。第零光轉(zhuǎn)移器0a、第 一光轉(zhuǎn)移器Ia和第二光轉(zhuǎn)移器2a每個可以用可調(diào)諧調(diào)制器(例如信道捷變調(diào)制器)或固 定調(diào)制器(例如環(huán)狀調(diào)制器)組來實施。類似地，第零調(diào)制器Ob、第一調(diào)制器Ib和第二調(diào) 制器2b每個可以用可調(diào)諧調(diào)制器或固定調(diào)制器組來實施。接收器2016優(yōu)選地是固定頻率 接收器。在這種情況下，如果部件想要與特定接收器通信，則相應(yīng)的仲裁器邏輯將其相應(yīng) 轉(zhuǎn)移器和其相應(yīng)調(diào)制器并行地(如果速度很重要)或順序地(如果對功率或可靠性存在約 束的話)調(diào)諧到與接收器對應(yīng)的波長。這種方案允許部件針對多個接收器進(jìn)行仲裁而不用 提高波導(dǎo)的數(shù)量。作為這個示例的更詳細(xì)描述，第零光轉(zhuǎn)移器Oa轉(zhuǎn)移來自功率波導(dǎo)2008的第零波 長未調(diào)制光2102并且第一光轉(zhuǎn)移器Ia轉(zhuǎn)移第一波長未調(diào)制光2104。第零檢測器2018和 第一檢測器2022成功檢測到對其相應(yīng)相關(guān)部件的仲裁。第零調(diào)制器Ob和第一調(diào)制器Ib 可以分別接收第零波長未調(diào)制光2102和第一波長未調(diào)制光2104，并且分別輸出第零波長
18調(diào)制光2106和第一波長調(diào)制光2108到數(shù)據(jù)波導(dǎo)2030上?，F(xiàn)在參考圖22，其中示出依據(jù)本發(fā)明實施例的另一個仲裁系統(tǒng)2200的示意圖。仲 裁協(xié)議具有可以被權(quán)衡和優(yōu)化的若干屬性，包括簡單性、速度、集中式對分布式、公平性和 優(yōu)先化。如圖20A中所描述的，圖20A的仲裁系統(tǒng)2000具有固定優(yōu)先級并因而其是不公平 的。該仲裁系統(tǒng)提供光學(xué)實施的令牌協(xié)議。在這個示例中，存在試圖針對單個資源進(jìn) 行仲裁的十個模塊0到9。令牌的概念由如下事實表示模塊具有將來自功率波導(dǎo)2204的 光轉(zhuǎn)移到仲裁波導(dǎo)2206上的能力，并且哪個模塊轉(zhuǎn)移光可以在仲裁之間改變。通過每次改 變優(yōu)先級，仲裁以使得每個模塊具有相同的平均優(yōu)先級的方式發(fā)生，從而導(dǎo)致公平的仲裁 機制。在仲裁系統(tǒng)2200中，第一模塊2208使用被描繪為“l(fā)a”的第一光轉(zhuǎn)移器2210而 將來自功率波導(dǎo)2204的光轉(zhuǎn)移到仲裁波導(dǎo)2206。第一光轉(zhuǎn)移器2210可以用環(huán)狀調(diào)制器來 實施。仲裁波導(dǎo)2206上的仲裁以圖20A中描述的類似方式發(fā)生。在這個示例中，第三模塊2212、第四模塊2214、第七模塊2216和第八模塊2218被 分別描繪為模塊3、4、7和8，試圖轉(zhuǎn)移來自仲裁波導(dǎo)2206的光。第八模塊2218成功地轉(zhuǎn)移 光并檢測到它，因為光首先通過第八模塊，并且從而贏得仲裁和使用資源的權(quán)利。第一、第 三、第四、第七和第八的記法表示模塊2202到驅(qū)動功率波導(dǎo)2204的激光源2220的接近性， 其中較小的編號在光學(xué)上更靠近激光源2220。在下一仲裁階段的開始時，除了第一模塊2208或模塊1之外的模塊將把光轉(zhuǎn)移到 仲裁波導(dǎo)2206上從而改變該回合的優(yōu)先級。接下來哪個模塊轉(zhuǎn)移光取決于期望的協(xié)議。一 種可能的仲裁方案是簡單的循環(huán)方案，其中最高優(yōu)先級恰好依次循環(huán)通過每個模塊。在循環(huán)方案中，被描繪為模塊2的第二模塊2222將在下一階段中轉(zhuǎn)移光，之后是 第三模塊2212或模塊3在接著的階段中轉(zhuǎn)移光，等等。當(dāng)多個波長被復(fù)用在功率波導(dǎo)2206 上時，在循環(huán)方案中在每個模塊處也可以轉(zhuǎn)移特定波長或波長組。例如，如果存在十個波 長，則第一波長可以由模塊Oa在初始的第一時期中轉(zhuǎn)移。在下一時期中，僅模塊2208 (Ia) 可以激活其光轉(zhuǎn)移器以轉(zhuǎn)移第一波長。仲裁仍可以是分布式的，因為每個模塊僅需要經(jīng)由 同步時鐘信號知道其處于其能夠訪問不同波長所在期間的那些時期中的哪個時期，所述不 同波長可以由仲裁器邏輯本地存儲。仲裁模塊不需要知道哪個模塊先前被準(zhǔn)予訪問，因而 使仲裁保持分布式而不是要求計算機系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)的全局通信。通過以此方式改變每個回合 的優(yōu)先級，與針對圖20A的仲裁系統(tǒng)2000描述的固定優(yōu)先級方案相比可以顯著地改進(jìn)公平 性。仲裁系統(tǒng)2200的另一種仲裁方案可包括優(yōu)先級被重新布置成使得資源的當(dāng)前占有者 在下一個仲裁循環(huán)中變成最低優(yōu)先級模塊。然而，這確實引入了全局信息交換要求。光不是瞬間行進(jìn)的，因此在這些方案中必須顧及定時考慮因素。當(dāng)新的階段開始 時，新的轉(zhuǎn)移器可能不得不等待光到達(dá)功率波導(dǎo)。另外，模塊需要確信其使用來自當(dāng)前轉(zhuǎn)移 器的光而不是從先前階段剩下的光。在其中每個階段使下一較高模塊變成轉(zhuǎn)移器(并從最高編號模塊回卷到0)的循 環(huán)方案中，模塊必須等待光在功率波導(dǎo)2204上行進(jìn)到下一轉(zhuǎn)移器，并且在獲勝者盡可能遠(yuǎn) 離轉(zhuǎn)移器的情況下然后等待環(huán)的一個完整渡越(transit)的時間。一個完整渡越也是確保 每個模塊2202看到來自新階段而不是先前階段的光所需的時間量。
如果存在N個模塊和N個仲裁器(經(jīng)過復(fù)制或WDM來實施)并且如果在每個階段 中所有N個模塊都希望以均勻隨機的分布傳輸?shù)竭x擇的接收器，則這種方案隨著N增大將 接近Ι-e—1 (大約0.632)的利用率。我們可以通過執(zhí)行若干回合的仲裁來改進(jìn)利用率，其中 每個回合在先前回合的失敗者之間仲裁。如果存在R個回合，則隨著N增大利用率將接近
1 -R
l_e ο如上面所描述的，令牌協(xié)議不是如上面所描述的那樣組合仲裁和功率傳送。這可 以通過在功率波導(dǎo)2204和仲裁波導(dǎo)2206之間的中部添加另一組調(diào)制器和另一個波導(dǎo)來完 成。如果圖22中的仲裁波導(dǎo)2206用作圖20B的功率波導(dǎo)2008，并且存在帶有每個檢測器 的環(huán)狀調(diào)制器以把光傳遞到圖20B的數(shù)據(jù)波導(dǎo)2030上，則這將導(dǎo)致組合的功率傳送和令牌 仲裁協(xié)議。實施這些仲裁協(xié)議所需的光學(xué)功率可以顯著小于電實施方式，如果在長距離上進(jìn) 行或以很高的速度進(jìn)行的話尤其如此。而且，根據(jù)仲裁波導(dǎo)2206的環(huán)的大小，這種解決方 案具有以很短的時間量做出決策的潛能。與往往是巨大量級或更慢的電解決方案相比，芯 片上環(huán)可以在僅僅幾納秒內(nèi)做出決策。為了解釋的目的，前面的描述使用具體術(shù)語以提供對本發(fā)明的完整理解。然而，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，為了實踐本發(fā)明不需要這些具體細(xì)節(jié)。本發(fā)明的具體實施 例的前面描述是為了說明和描述的目的而給出的。它們不打算窮盡本發(fā)明或?qū)⒈景l(fā)明限制 為所公開的精確形式。顯然，鑒于上面的教導(dǎo)，許多修改和變型是可能的。這些實施例是為 了最佳解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用而示出和描述的，從而使得本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員 能夠最佳利用本發(fā)明以及帶有適合于所考慮的特定使用的各種修改的各種實施例。本發(fā)明 的范圍旨在由所附權(quán)利要求及其等效物限定。
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權(quán)利要求
一種與提供計算機系統(tǒng)中的通信的光子互連一起使用的光學(xué)仲裁系統(tǒng)(1830、2001)，包括第一波導(dǎo)(1832，2008)；光源(1834，2006)，用于通過所述第一波導(dǎo)(1832，2001)發(fā)送光；與所述第一波導(dǎo)耦合的第一光轉(zhuǎn)移器(1837，1838，1839，1840，2010，2012，2014)，用于轉(zhuǎn)移光；與所述第一光轉(zhuǎn)移器耦合的第一檢測器(1841，1842，1843，1844，2018，2022，2026)，用于檢測光；第一調(diào)制器(1841，1842，1843，1844，0b，1b，2b)，用于響應(yīng)于所述第一檢測器檢測到光而調(diào)制光以承載數(shù)據(jù)；以及耦合到所述第一調(diào)制器的數(shù)據(jù)波導(dǎo)(1814，1815，1816，1817，2030)，用于承載所調(diào)制光。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一波導(dǎo)是承載未調(diào)制光的功率波導(dǎo)(1832,2008)；且 其中第一調(diào)制器耦合到第一檢測器以調(diào)制所述未調(diào)制光。
3.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中第一光轉(zhuǎn)移器包括環(huán)狀調(diào)制器(1700)。
4.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括耦合到功率波導(dǎo)(1832,2008)的第二光轉(zhuǎn)移器 (1838,2012)以及第一光轉(zhuǎn)移器(1837,2010)在光源和第二光轉(zhuǎn)移器之間。
5.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中光源(1834,2006)用于發(fā)送第一波長未調(diào)制光和第二 波長未調(diào)制光；第一光轉(zhuǎn)移器(1837,2010)用于轉(zhuǎn)移所述第一波長未調(diào)制光；且還包括與功率波導(dǎo)耦合的第二光轉(zhuǎn)移器(1838，2012)，用于轉(zhuǎn)移所述第二波長未調(diào)制光。
6.權(quán)利要求1所述的光學(xué)仲裁系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)提供固定優(yōu)先級仲裁方案(2000)。
7.權(quán)利要求1所述的光學(xué)仲裁系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)提供不固定優(yōu)先級仲裁方案(1830， 2200)。
全文摘要
本發(fā)明的各個實施例涉及用于計算機系統(tǒng)設(shè)備中的經(jīng)由光子互連而通信耦合的計算機系統(tǒng)部件(1801-1804)的全光學(xué)分布式仲裁的系統(tǒng)和方法。計算機系統(tǒng)中的光學(xué)仲裁的實施例提供帶有固定優(yōu)先級(2000)以及不固定優(yōu)先級(1830，2200)的仲裁方案。不固定優(yōu)先級方案實施例可以提供仲裁的公平性。在一些實施例中，仲裁和光功率傳送被組合(1830，2001)。
文檔編號H01L23/52GK101911288SQ200880122362
公開日2010年12月8日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者M·菲奧倫蒂諾, N·L·賓克特, N·P·茹皮, Q·徐, R·G·博索萊爾, R·S·施雷伯 申請人:惠普開發(fā)有限公司