光學(xué)路由器研究獲重要進(jìn)展

隨著通過提高主頻來提升微處理器性能的方式遭遇“功耗之墻”的限制，多核并行處理的架構(gòu)逐漸成為高性能微處理器性能繼續(xù)提升的重要手段之一。對(duì)多核處理器而言，其整體性能不僅與它集成的處理核心的性能及數(shù)目有關(guān)，也極大地受制于各處理核心之間的通信效率?，F(xiàn)有的多核處理器采用由金屬連線構(gòu)建的片上網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)多處理核心間的數(shù)據(jù)交換。基于電互連的片上網(wǎng)絡(luò)需要在CMOS芯片中占用多層金屬布線，隨著片上集成的處理核心越來越多，多核處理器對(duì)片上網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的要求越來越高，傳統(tǒng)金屬連線實(shí)現(xiàn)的片上網(wǎng)絡(luò)因其高功耗、低帶寬及高延遲而逐漸成為多核處理器發(fā)展的一個(gè)瓶頸。

國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖明確指出，需要盡快找到替代電互連片上網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。光互連以其低功耗、高帶寬與低延遲被廣泛認(rèn)為是一個(gè)非常有前景的替代方案。美國(guó)與歐盟于2008年分別啟動(dòng)了“基于納米光子學(xué)的高性能芯片上通信研究”和“CMOS電路上波分復(fù)用光互連系統(tǒng)”的項(xiàng)目。國(guó)際著名計(jì)算機(jī)公司Intel、IBM、HP和SUN等也紛紛設(shè)立光子學(xué)研究部門來啟動(dòng)相關(guān)的研究計(jì)劃。

光學(xué)路由器是片上光互連網(wǎng)絡(luò)的核心器件，其基本功能是實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)與東、南、西、北四個(gè)方向相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)路由和交換。美國(guó)IBM、Intel、HP、SUN、MIT、康奈爾大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)與歐洲的IMEC、Ghent大學(xué)等著名研究機(jī)構(gòu)均開展了相關(guān)研究。中科院半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室自2009年開始從事片上光互連網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用光學(xué)路由器的研究，創(chuàng)新性地提出了綜合性能（器件損耗、通道串?dāng)_、信道均勻性及可擴(kuò)展性）優(yōu)于國(guó)際同行的光學(xué)路由器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。經(jīng)過兩年的刻苦攻關(guān)，該研究小組于2011年5月率先在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了片上光互連網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用五端口光學(xué)路由器，其數(shù)據(jù)吞吐量為50Gbit/s（之前僅有美國(guó)康奈爾大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的聯(lián)合小組和半導(dǎo)體所的研究小組先后實(shí)現(xiàn)了四端口光學(xué)路由器）。

相關(guān)研究成果發(fā)表在著名光學(xué)期刊Optics Express九月的連續(xù)兩期上。