[Springer 2014 论坛首发]Photonic Network-on-Chip Design

nuoan

[Springer 2014 论坛首发]Photonic Network-on-Chip Design1 Introduction ........................................ 1
1.1 Transistors to Photonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Photonics for Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Remainder of this Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Photonic Interconnects................................. 11
2.1 Photonic Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Wavelength-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.2 Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 Ring Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Photonic Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 Serialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Driver Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.4 Modulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.1 Optical Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 Wavelength Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3 Spatial Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.4 TDM Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.5 Wavelength-Selective Spatial Routing . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Reception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 Wavelength-Division Demultiplexing . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.2 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.3 Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.4 Deserialization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.5 Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Silicon Photonics..................................... 27
3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Crystalline Silicon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Polycrystalline Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Silicon Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.4 Amorphous Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.5 Germanium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.6 Silicon Dioxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.7 Material Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Crystalline Silicon Waveguides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Silicon Nitride Waveguides and Waveguide
Crossings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 Inter-Channel Crosstalk in Crystalline Silicon
and Silicon Nitride Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Microring Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.1 Crystalline Silicon Modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Crystalline Silicon Microring Resonator Electro-Optic
Modulator Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5.1 Universal Microring Resonator Switches . . . . . . . . . . . . 47
3.5.2 Microring Resonator Broadband Switches . . . . . . . . . . . 48
3.5.3 Microring Resonator 494 Broadband Switches. . . . . . . . 59
3.6 Photodetectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.1 Germanium Photodetectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2 Silicon Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.3 Photodetector Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.1 On-Chip Silicon Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.2 Off-Chip Compound Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . 66
3.8 Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8.1 Lateral Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.8.2 Vertical Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.9 Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.10 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.11 Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4 Photonic Simulation and Design Space..................... 79
4.1 Performance Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.1 Motivation for Photonic Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.1.2 Methodology and Design Flow Overview . . . . . . . . . . . 80
4.1.3 Photonic Device Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.4 Physical-Layer Performance Analysis Tools . . . . . . . . . . 91
4.1.5 Integration with Other Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5 Photonic Network Architectures I: Circuit Switching.......... 101
5.1 Photonic Network Architecture Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.1.1 Packet-Switching Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 Circuit-Switching Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2.1 Path-Setup Protocol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2.2 Photonic Spatial Switch Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.3 Modulator and Detector Banks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.4 Mesh Topology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3 Physical Layer Analysis of Photonic Circuit Switching . . . . . . . 117
5.3.1 Insertion Loss Analysis of 494 Switch Designs . . . . . . . 118
5.3.2 Scalability Study Using Physical-Layer Analysis . . . . . . 122
5.3.3 Effect of Modulation Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4 System Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4.1 Gateway Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.2 Selective Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.5 Evaluating Photonic Circuit Switching with Scientific
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.1 Application Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5.2 Studied Network Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.5.3 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.6 Off-chip Memory Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.7 Evaluating Photonic Memory Access Using Embedded
Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.7.1 Embedded Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.7.2 Network Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.7.3 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.8 Architectures Using Deposited Multi-layer Devices . . . . . . . . . . 159
5.8.1 Multi-Layer Mesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.8.2 Matrix-Crossbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6 Photonic Network Architectures II: Wavelength Arbitration
and Routing......................................... 165
6.1 Wavelength Bus Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.1.1 Source-Routed Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.2 Destination-Routed Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.3 Multi-Write Single-Read . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.1.4 Single-Write Multi-Read . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

6.1.5 Wavelength Crossbar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.1.6 Token Arbitration Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7 Photonic Network Architectures III:
Advanced Photonic Architectures......................... 173
7.1 Time Division Multiplexed Arbitration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1.1 Fully-Connected TDM Arbitration . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.1.2 Enhanced TDM Arbitration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2 Wavelength-Selective Spatial Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.2.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.2.2 Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2.3 Simulation Results and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8 Conclusions......................................... 203
8.1 Major Technology Challenges Ahead. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.2 Integration and Scalability: The Role of Design Automation. . . . 205
Index ................................................ 207



Photonic Network-on-Chip Design_Keren Bergman_2014.pdf (8.36 MB, 下载次数: 747 )

2014-3-15 16:42 上传

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This book is a product of an emerging interdisciplinary field that is using photonic
communications to address many of the challenges associated with scaling computing system performance. With the emergence of multicore architectures and the
ever-growing quest for parallelism, system performance is increasingly bound by
its communication rather than computation capabilities. Data movement in the
optical domain offers many unique advantages and the possibility of new interconnection network architectures that can enable future computing performance
gains. The underlying photonic technologies also present many unique design
challenges. It is our goal in this book to bridge the gap among these interdisciplinary fields and create a common reference for evolving the design and development of chip-scale photonic networks.

waveguides

听起来挺有趣的，是个论文吧

markhorrow

非常感谢提供！

apteye

Photonic

lujunfeng111

多谢分享

xuleiwx

是Springer2014年的书。

nuoan

听起来挺有趣的，是个论文吧
waveguides 发表于 2014-3-16 14:30

                               
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是书

pupukid

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mylove2

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多谢！