4、用于高效节能数据中心计算的光子片上网络

用于高效节能数据中心计算的光子片上网络

1. 引言

随着现代应用对处理能力的需求不断增加，新兴多核系统的核心数量也在稳步上升。比如，如今英特尔至强处理器最多有 56 个核心，英伟达的 GPU 则报告有超过 10000 个着色器核心，新兴的特定应用处理器更是将这些数字推向新高，如 Cerebras AI 加速器拥有超过 400000 个轻量级核心。核心数量的增加导致核心与核心之间以及核心与内存之间的通信需求大幅提升。

传统的电气片上网络（ENoCs）采用金属互连，为了满足数据驱动并行应用的高带宽和低延迟要求，已经消耗了大量电力，并且不太可能满足未来应用的需求。不过，近年来芯片级硅光子技术成为了一个有前景的发展方向，它能为多核系统提供光速的光子链路，克服电气链路速度慢和易受干扰的瓶颈。硅光子技术有望实现光子片上网络（PNoCs），与 ENoCs 相比，它能提供更高的带宽和更低的延迟。

典型的 PNoC 架构采用了多种光子器件，如光子波导、耦合器、分束器和多波长激光源，以及调制器、探测器和开关等，这些器件通常由微环谐振器（MRs）和马赫 - 曾德尔干涉仪（MZIs）等构成。PNoCs 使用激光源（片外或片上）产生一个或多个波长的光，通过光耦合器将光耦合到片上光子波导。这个波导通过一系列光功率分束器，将可能包含多个载波波长的输入光功率（即波分复用（WDM）传输）引导到芯片上的各个节点（如处理核心）。每个波长作为数据信号的载波。通常，源节点会在电气数字域生成多个数据信号，以逻辑 0 和 1 的电压序列形式存在。这些输入的电气数据信号可以通过一组调制器 MRs 调制到波长上（例如，64 位数据调制到 64 个波长上），通常采用开关键控（OOK）调制。随后，载波波长在 PNoC 中路由，直到到