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光互连交换网络设计与基于FPGA基础实验

作　者: 张滨
导　师: 杨建义
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 片上光互连非阻塞光交换网络性能分析 FPGA 集成光电子
分类号: TN47
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着芯片集成度的不断提高,单个片上处理器核的数量显著提升,多核将成为未来的主要趋势。在不久的将来,单芯片内将集成数百甚至上千内核。传统的片上通信架构已经无法适应当前的性能和带宽需求,以通信为中心的片上网络(NoC)技术逐渐成为计算机互连网络中的热点问题。电互连因传输带宽小、时延大、高速信号之间串扰大、功耗大以及引脚密度等限制因素,已经成为互连进一步发展的瓶颈。电子互连的成本将会超越光互连的成本,光互连正在展现出越来越好的商业前景。光互连技术在降低系统功耗方面有着无可比拟的优势,且有着极高的通信带宽和很小的传输损耗,是较为理想的片内互连技术。光交换网络作为片上光互连网络架构的核心模块,对系统性能起着至关重要的作用。本文首先提出了两种基于微环的新型4×4非阻塞光交换网络,第一次用五个微环构建的拓扑结构实现4个双向端口的非阻塞交换,相对于以往的结构微环数量减少了37.5%,用其组建大规模网络,能有效减小微环数量,降低成本；波导交叉也减少到了6个,有效的降低了插入损耗,使得网络的可扩展性增强。本文采用PhoenixSim仿真平台搭建光互连网络架构,在仿真软件中修改完善了光器件模型,添加了基于微环光开关的新功能,在此基础上分析了4×4交换网络插入损耗和功耗等关键性能参数,仿真结果表明,提出的两种新结构相对于经典结构光功耗和插入损耗都有一定的优化,特别是五环结构功耗降低约24.5%。在仿真的基础上,本文还进行了光互连演示硬件平台的开发,搭建基于Xilinx V5FPGA的简易光互连架构实验系统,包括基于aurora协议板间高速光通信(3.125Gbps),撰写测试程序评估系统性能,进行传输速率,时延,误码率,传输效率等关键参数的测试分析,初步探索建立了光互连网络实验平台。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-20
  1.1 研究背景  11-17
    1.1.1 片上互连——未来众核片上系统的瓶颈  11
    1.1.2 电互连网络遭遇性能瓶颈  11-12
    1.1.3 光互连网络优势  12-13
    1.1.4 光互连技术发展现状和趋势  13-16
    1.1.5 片上光互连技术存在的问题及未来的发展趋势  16-17
  1.2 本文的研究意义及主要内容  17-20
2 片上光互连体系结构  20-32
  2.1 硅基光子学发展现状  20-21
  2.2 硅基光器件  21-24
    2.2.1 波导  21-22
    2.2.2 光发射器  22
    2.2.3 光接收器  22
    2.2.4 微环谐振器  22-24
  2.3 片上网络的基本概念  24-25
    2.3.1 时延  24
    2.3.2 功耗  24
    2.3.3 面积  24-25
    2.3.4 吞吐量  25
  2.4 电路交换结构  25-27
  2.5 光互连网络拓扑结构分析  27-28
    2.5.1 网络架构概述  27-28
  2.6 几种典型片上网络结构  28-30
    2.6.1 总线结构片上光网络  28-29
    2.6.2 光Mesh拓扑结构  29-30
    2.6.3 光电混合Torus网络  30
  2.7 本章小结  30-32
3 片上光互连系统评估和性能分析  32-52
  3.1 基于微环的光交换开关  32-34
    3.1.1 基于微环光开关的基本原理和结构  33
    3.1.2 经典光交换开关  33-34
  3.2 片上光互连网络仿真平台  34-40
    3.2.1 OMNET++  34-35
    3.2.2 PhoenixSim仿真平台概述  35
    3.2.3 PhoenixSim仿真平台中模型的基本定义  35-36
    3.2.4 一个简易4×4光互连网络结构仿真  36-38
    3.2.5 单环基本模块在软件中存在的问题  38-39
    3.2.6 对仿真软件模型库的修改  39-40
  3.3 4×4非阻塞硅基光交换网络的设计  40
  3.4 基于7个微环的4×4非阻塞硅基光交换网络结构设计  40-43
  3.5 基于7个微环的4×4非阻塞硅基光交换网络系统评估  43-46
    3.5.1 插入损耗分析  43-45
    3.5.2 功耗分析  45-46
    3.5.3 小结  46
  3.6 基于5个微环的4×4非阻塞硅基光交换网络结构设计  46-48
  3.7 基于5个微环的4×4非阻塞硅基光交换网络系统评估  48-51
    3.7.1 插入损耗分析  48-50
    3.7.2 功耗分析  50-51
    3.7.3 小结  51
  3.8 本章小结  51-52
4 FPGA实验平台搭建探索及测试  52-64
  4.1 FPGA介绍及硬件实现  52-55
    4.1.1 FPGA简介  52-53
    4.1.2 高性能FPGA选型  53
    4.1.3 软件开发工具  53-55
  4.2 基于Aurora协议分析  55-58
    4.2.1 Aurona IP核的生成  55-57
    4.2.2 基于Aurora协议的光链路测试  57-58
  4.3 硬件实验平台整体设计、测试结果及分析  58-62
    4.3.1 误码率测试分析  58-59
    4.3.2 4板环路硬件平台的搭建  59-61
    4.3.3 时延和传输效率测试结果分析  61-62
  4.4 本章小结  62-64
5 总结与展望  64-66
  5.1 总结  64
  5.2 展望  64-66
参考文献  66-71
作者简历及在学期间所取得的科研成果  71

光互连交换网络设计与基于FPGA基础实验

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