專利名稱：用于計算機系統(tǒng)設備的光子互連的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例涉及可以用于計算機系統(tǒng)設備中的計算機系統(tǒng)部件之間的芯片 上以及芯片外通信的光子互連。
背景技術：
在二十世紀六十年代中期，半導體制造商觀察到，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于數(shù)據(jù)處理 速度。盡管最初摩爾定律是作為觀察結果而得出的，但是隨著時間的推移摩爾定律已被半 導體工業(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。結果，半導體制造商已 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。計算機系統(tǒng)(其一 些示例是存儲器模塊系統(tǒng)、單核處理器設備或多核處理器設備)的計算機系統(tǒng)架構在試圖 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。 盡管半導體制造商可以提高單個核的晶體管密度，但是半導體制造商由于功耗效率低而未 朝這個方向前進。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)密集型應用保持性能增長的關鍵問題。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。結果，計算機架構現(xiàn)在 處于十字路口并且物理學家和工程師正在尋找對使用金屬線進行芯片上和芯片外通信的 替代方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各個實施例涉及可以用于計算機系統(tǒng)部件之間的芯片上以及芯片外通 信的光子互連。在本發(fā)明的一個實施例中，光子互連包括多個芯片上波導。另外，光子互連 可以包括多個芯片外波導和至少一個光電子轉(zhuǎn)換器。該至少一個光電子轉(zhuǎn)換器可以光子地 耦合到所述多個芯片上波導的一部分并且可以光子地耦合到所述多個芯片外波導的一部 分，并且與至少一個計算機系統(tǒng)部件電子通信。


圖1示出依據(jù)本發(fā)明實施例的層疊計算設備的橫截面圖。圖2示出依據(jù)本發(fā)明實施例的計算設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中提取編碼信道的波導微環(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)。
具體實施例方式本發(fā)明的各個實施例涉及光子互連。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)設備的架構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 的采用光學管芯的基于多核的計算設備可以以大約20太字節(jié)/秒操作。在以下描述中，術語“光子”和“光子地”指的是用經(jīng)典和/或量子化ER操作的 設備，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 (switch)和交換結構實施例中，若干結構上類似的包括相同材料的部件已被提供相同的附 圖標記，并且為了簡明起見不重復這些部件的結構和功能的解釋。多核層疊計算設備圖1示出依據(jù)本發(fā)明實施例的示例性計算機系統(tǒng)設備(“計算設備”)100的橫 截面圖，該計算機系統(tǒng)設備是采用光子互連的多核層疊計算設備。該計算設備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備(未示出)的數(shù)據(jù)流。光學管 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備100以及從計算設備100傳輸數(shù)據(jù) 編碼的電磁輻射。光學管芯可以是大約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。 結果，在計算設備100的管芯之間傳輸電信號所需的功率或負荷明顯低于常規(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，光學管芯108的光子互連214提供使得與集群202-204相關聯(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的每個集群具有設置在存儲器控制器管芯104上的對應存儲器控 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管芯108而彼此光子地 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，層疊計算設備100歸其 支配的程序員可以以高的水平表達并行性，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，計算設備100架構可提供每浮點運算一個字節(jié) (one byte per flop)的帶寬至Ij DRAM。當為每個存儲器管芯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)可被進一步細分為多個存儲體 (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， 每個區(qū)可提供IG比特的糾錯碼保護的存儲空間，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%。細間距的貫通孔允許DRAM被構造成 從單個行訪問提供整個高速緩存線。當期望512GB DRAM時，其可以被布置成64個分離的光學連接存儲器模塊 (“0CM”)。這些OCM利用與上面描述的8GB DRAM相同的基礎技術。光學管芯108執(zhí)行兩 個功能。第一，光學管芯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。多核層疊計算設備的總體操作為簡化起見，下面參考計算設備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。本領域的技術人員會顯而易見，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 的對應集群進行電子通信的L2高速緩存、集線器、存儲器控制器和其它設備。例如，存儲 器_控制器管芯104的塊片302表示位于相關集群304下面并與該相關集群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(由帶308表示)，和 16個由8個近似平行的波導組成的束，其中蛇形配置的波導穿過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個蛇形波導被稱作“芯片上波導”，其在光電子轉(zhuǎn)換器之間提供光子通 信；而包括16個波導束的這些波導被稱作“芯片外波導”，其提供與位于計算設備100外部 的設備的光子通信。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中的四個相關塊片之 一進行電子通信。下面參考圖6和7更詳細地描述轉(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進行更詳細的描述。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)外部設備(未示出)。當該 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?shù)男酒喜?導被傳輸?shù)轿挥诠怆娮愚D(zhuǎn)換器316內(nèi)的對應于集群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。當這些編碼信道的目的地是 外部設備時，光電子轉(zhuǎn)換器306的轉(zhuǎn)換器塊將編碼信道置于束310的芯片外波導上，在那里 這些編碼信道離開光學管芯108。當外部設備產(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提供對光學管芯108的操作和部件的更詳細描述。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)絡接口、自身交叉開關 (crossbar)連接和對等交叉開關連接。這些交叉開關連接可被配置成與光電子轉(zhuǎn)換器的對 應部分對接。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)絡接口 510。集線器502也負責傳輸去往和來自光學管芯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)絡接口 510提供到外部網(wǎng)絡的連接，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的四個對應塊片604、模擬電子管芯106的片606和光學管芯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308 的一部分上傳輸以供其它集群處理，或在波導束620上被傳輸?shù)酵獠吭O備以用于處理。轉(zhuǎn) 換器塊610-613也將在束620和芯片上波導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。光學管芯圖7A示出依據(jù)本發(fā)明實施例的光學管芯108的示意表示。如圖7A所示且如上面 參考圖3所描述的，光學管芯108包括270個分離的、近似平行、非交叉的芯片上波導308、 16個近似均勻間隔開的光電子轉(zhuǎn)換器和16個由8個芯片外波導組成的束。芯片上波導308 可以被設置成蛇形配置從而使得所有270個芯片上波導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 導上。方向箭頭706表示從源702輸出的信道被傳輸?shù)姆较?，而方向箭頭708表示從源704 輸出的信道被傳輸?shù)姆较?。蛇形芯片上波?08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。芯片上波導的 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308中的8個。圖7B揭示了 這些波導不交叉并且近似平行，諸如波導714和716。芯片上波導308可以是脊波導或光子晶體波導，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，芯片上脊波導的部分718表示 設置在光學管芯108的表面上的270個芯片上脊波導中的20個。如圖7C所示，脊波導被 設置成束，每個束具有4個波導，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的一部分的頂視 圖。在圖7D中，圓圈-諸如圓圈722-表示光學管芯108的介電或半導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行填充。開口的規(guī)則點陣創(chuàng)建圍繞波導724和 726的二維布拉格光柵。這個二維布拉格光柵將適當波長的ER約束到波導724和726。光子 晶體波導是眾所周知的，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僅僅是這個領域中的許多參考文獻中的三個。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 個星形耦合器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\、\ 2、、.....λ 64表示，并且每
個信道具有相對恒定的強度。星形耦合器804和806每個包括以把64個信道放置到270 個芯片上波導308中的258個的每個上的樹形結構配置的分束器，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。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 /反串行化設備924而光子耦合到設備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更詳細地描述仲裁系統(tǒng)1600的操作和架構。廣播系統(tǒng)1002允許相關集群 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 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備中的另一個集群的編碼信道。下面參考圖11-13 更詳細地描述數(shù)據(jù)/控制塊1004的架構實施例。仲裁系統(tǒng)1006給予集群在給定的時期中 使用波導束或集群的權利。如圖10所示，270個芯片上波導308中的兩個專用于廣播系統(tǒng) 1002，芯片上波導308中的十二個專用于仲裁系統(tǒng)1006，以及芯片上波導308中的256個專 用于數(shù)據(jù)/控制塊1004。這256個芯片上波導被布置成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。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)/控制塊的每個相關聯(lián)的64個由4個芯片上波導組成的束中的僅9個束(未示出其 余55個束)。這些束從上到下也被標記成1到64，每個標記對應于特定的數(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個成束波導調(diào)制器，諸如 成束波導調(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 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更詳細地描述成束波導調(diào)制器和檢 測器的操作和架構。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。成束波導調(diào)制器和成束波導檢測器是近乎等同配置的設備。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 束波導調(diào)制器/檢測器1300在由四個芯片上波導1301-1304組成的束上接收信道。成束 波導調(diào)制器/檢測器1300包括四個波導微環(huán)系統(tǒng)，諸如波導微環(huán)系統(tǒng)1306。這四個波導 微環(huán)系統(tǒng)包括近似平行的波導1301-1304，但是波導1301-1304之間的間距的范圍可以近 似為10-14微米，其大于在成束波導調(diào)制器/檢測器1300外部的成束波導1301-1304之間 的間距。每個波導微環(huán)系統(tǒng)包括64個微環(huán)，諸如微環(huán)1308。這64個微環(huán)鄰近每個波導并 且分布在沿著每個波導長度的相對側(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 包括芯片外波導調(diào)制器1401和芯片外波導檢測器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。芯片外波導調(diào)制器1401包括 四個波導微環(huán)系統(tǒng)1403-1406。波導微環(huán)系統(tǒng)1403-1406的每個包括64個微環(huán)和芯片外波 導的一部分。波導微環(huán)系統(tǒng)1403-1406的波導分別經(jīng)由四個分束器1408-1411而光子耦合 到芯片上波導1407。波導1407承載64個未編碼信道，所述未編碼信道被分束器1408-1411 放置到波導微環(huán)系統(tǒng)1403-1406中，所述波導微環(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。芯片外波導檢 測器1402包括四個波導微環(huán)系統(tǒng)1412-1415，所述波導微環(huán)系統(tǒng)1412-1415也包括用于從 外部設備-諸如芯片外存儲器-接收編碼信道的四個芯片外波導。波導微環(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1510和1512的 兩個波導微環(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1510和1512的兩個波導微環(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。本領域的技術人員會立即意識到，這些實施例可 以被擴大或縮小以適應具有任何數(shù)量的集群的計算設備。波導微環(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
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。當信道入工沿著波導 1602傳輸時，信道λ i的大部分被漸逝耦合到微環(huán)1604中?？梢酝ㄟ^對微環(huán)施加“導通” 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，這進而調(diào)制沿 著波導1602傳輸?shù)男诺赖膹姸?。電壓的模式可對應于從存儲?控制器管芯104中的對 應塊片輸出的數(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“導通”電壓可 對應于二進制數(shù)“1”，而“斷開”電壓可對應于二進制數(shù)“0”。當“導通”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傳輸?shù)膶诺啦粫u逝耦合到該微環(huán)中。換言 之，當施加“導通”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。結果，以“導通”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于二 進制數(shù)“ 1，，而相對低的強度對應于二進制數(shù)“ 0 ”。圖16B示出依據(jù)本發(fā)明實施例的可以用來從波導中提取64個編碼信道的波導微 環(huán)系統(tǒng)。在圖16B中，64個編碼信道不，忑石，...，&被輸入到檢測器塊的波導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，當沿著波導1606傳輸編碼信道$時，與信道$相關聯(lián)的高和 低強度被漸逝耦合到微環(huán)1608中。與信道&相關聯(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 到存儲器_控制器管芯104中的相關塊片。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1702。在某些實施例中，微環(huán)1700包括本征半導體，在微環(huán)1700內(nèi)部的半導體襯 底中形成有P型半導體區(qū)1704，以及在圍繞微環(huán)1700外部的以及在波導1702的相對側(cè)的 半導體襯底中形成有η型半導體區(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，如上面參考圖16所描述的。波導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。波導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?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。當適當?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1702。另一方面，微環(huán)1700也可以被配置成使得當電壓 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 電壓或電流被“關斷”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 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、層疊計算設備1800的示意表 示。計算設備1800包括與四個對應的數(shù)據(jù)/控制塊1805-1808電子通信的四個集群 1801-1804。計算設備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到四個波導束1814-1817的每個波
導上，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調(diào)制器1821-1823和成束波導解調(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1832、與功率波導1832光子通信的環(huán)形波導1836以及 四個微環(huán)1837-1840。仲裁系統(tǒng)1830也包括位于環(huán)形波導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結光電二極管。注意，對于64集群計算設備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進行標記。這些名稱標識每個微環(huán)與其諧振的并且可以從鄰近波導漸 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1832中的順時針方向1846漸逝耦合到環(huán)形波導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1836的特定信道， 但是內(nèi)部微環(huán)必須被對應集群激活或“導通”。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)。結果，信道λ，^ λ，2、λ ’ 3和λ ’ 4沿著環(huán)形波導1836不受干擾地通過微 環(huán)1841。然而，對應集群11801可以發(fā)送適當?shù)碾娏饕约せ钐囟ㄎh(huán)從而使該微環(huán)偏移成 與相關信道諧振。微環(huán)然后可以漸逝耦合來自環(huán)形波導1836的信道以在微環(huán)內(nèi)諧振。例 如，集群11801可以“導通”微環(huán)1850從而使得信道λ ’ 3被從環(huán)形波導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“導通”，否則信道λ \、λ ’2和λ ’4不 受干擾地通過。現(xiàn)在參考圖18Α和18Β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(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)和波導所處于的光學管芯108。該請求嘗試在光學管芯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表I 如表I所顯示的，集群1 1801被分配信道λ，i，集群21802被分配信道λ，2， 等等。假設集群1 1801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 “導通”微環(huán)1850并且集群41804也導通微環(huán)1852。信道λ，3從功率波 導1832經(jīng)由微環(huán)1839漸逝耦合到環(huán)形波導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1836以逆時針方向1848傳播。在信道λ ’ 3可以到達微環(huán)1852之前， 微環(huán)1850從環(huán)形波導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1 1801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3 1803處理，如上面參考圖12所描述的。在這個特定的時期中，集群1 1801獲得對集群3 1803的訪問而集群4 1804不得不等待后續(xù) 的時期?，F(xiàn)在假設集群1 1801和集群4 1804兩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1 1801 “導通”微環(huán)1860并且集群4 1804也“導通”微環(huán)1862。信道λ，4從功率波導1832 經(jīng)由微環(huán)1840漸逝耦合到環(huán)形波導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 1836中提取信道λ ’ 4，之后信道λ ’ 4可以到達微環(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?，F(xiàn)在返回到圖18Α，當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1 1801不得不等待后續(xù)的時期。圖19示出依據(jù)本發(fā)明實施例的對應于相關集群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微環(huán)系統(tǒng)以及光子耦合到四個中央波導 1911-1914之一的微環(huán)。例如，仲裁器1901包括波導微環(huán)系統(tǒng)1916以及光子耦合到中央波 導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1920的其它仲裁器(未示出)為其相關集群做同樣的事情。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1911中。每個仲裁器包括微環(huán)-諸如微環(huán)1918，其從功率波導
1911中提取信道λ^ λ2、λ3.....λ 64之一并且將對應的信道放置到波導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1911中提取信道λΝ。波導微環(huán) 系統(tǒng)1916的64個微環(huán)每個被配置成當施加適當?shù)碾娏鲿r提取由波導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“導通”微環(huán)1922做出響應。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I920的不同仲裁器(未示出)從功率波導 1911中提取并且信道λ63以方向1924沿著波導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。如果在信道λ 63到達微環(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，除了多核計算設備的說明性示例之外，光子互連可以被實施在 其它的計算機系統(tǒng)設備(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 備)中。為了解釋的目的，前面的描述使用具體術語以提供對本發(fā)明的完整理解。然而，本 領域的技術人員顯而易見的是，這些具體細節(jié)不是實踐本發(fā)明所必需的。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，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用而示出和描述的，從而使得本領域的其他技術人 員能夠最佳利用本發(fā)明以及具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利要求及其等效物限定。
權利要求
一種光子互連(108)，包括設置在襯底的表面上的多個芯片上波導(308)；設置在所述襯底的表面上的多個芯片外波導(310、620)；以及設置在所述襯底的表面上的至少一個光電子轉(zhuǎn)換器(306)，所述至少一個光電子轉(zhuǎn)換器光子耦合到所述多個芯片上波導(308)的一部分和所述多個芯片外波導(310、620)的一部分并且與至少一個計算機系統(tǒng)部件(615 618)電子通信。
2.權利要求1的光子互連，還包括第一源(702)，其設置在襯底的表面上并且耦合到每個芯片上波導的第一端；以及 第二源(704)，其設置在襯底的表面上并且耦合到每個芯片上波導的第二端。
3.權利要求2的光子互連，其中第一源(702)和第二源(704)還包括 激光器(802)，被配置成發(fā)射多個信道；以及至少一個星形耦合器(804、806)，其光子耦合到激光器并且被配置成接收所述多個信 道并輸出所述多個信道到每個芯片上波導中。
4.權利要求1的光子互連，其中所述多個芯片上波導和所述多個芯片外波導還包括近 似平行的脊波導(720)或近似平行的光子晶體波導(724、726)。
5.權利要求1的光子互連，還包括至少一個光纖(124、126)互連，所述至少一個光纖 (124、126)互連光子耦合到所述多個芯片外波導的一部分并且被配置成發(fā)送和接收至少一 個信道。
6.權利要求1的光子互連，其中所述至少一個光電子轉(zhuǎn)換器(306)還包括與所述至少 一個計算機系統(tǒng)部件電子通信的至少一個光電子轉(zhuǎn)換器塊(901-904)。
7.權利要求6的光子互連，其中所述至少一個光電子轉(zhuǎn)換器塊還包括芯片外通信集線器(1008、1400)，其光子耦合到芯片上波導并且被配置成依據(jù)由所述 至少一個計算機系統(tǒng)部件生成的數(shù)據(jù)編碼電信號來調(diào)制多個信道并經(jīng)由至少一個芯片外 波導接收編碼信道并且把編碼信道轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)編碼電信號以供所述至少一個計算機系統(tǒng) 部件處理；數(shù)據(jù)/控制塊(1004、1100、1805-1808)，其光子耦合到所述多個芯片上波導的第一部 分，被配置成接收并調(diào)制沿著所述多個芯片上波導的第一束傳輸?shù)亩鄠€未調(diào)制信道以及接 收沿著所述多個芯片上波導的第二束傳輸?shù)亩鄠€編碼信道并生成對應的數(shù)據(jù)編碼電信號 以供所述至少一個計算機系統(tǒng)部件處理；仲裁系統(tǒng)(1006、1830、1900)，其光子耦合到所述多個芯片上波導的第二部分并且被配 置成管理計算機系統(tǒng)部件之間的數(shù)據(jù)分布；以及廣播系統(tǒng)(1002、1500)，其光子耦合到所述多個芯片上波導的第三部分并且被配置成 近似同時地發(fā)送數(shù)據(jù)到所有其它計算機系統(tǒng)部件并接收來自所有其它計算機系統(tǒng)部件的 數(shù)據(jù)。
8.權利要求1的光子互連，其中所述至少一個光電子轉(zhuǎn)換器還包括 至少一個波導(1301、1602、1606、1702)；以及多個微環(huán)(1308、1604、1608、1700)，其光子耦合到所述至少一個波導，每個微環(huán)被配置 成與通過所述至少一個波導傳輸?shù)亩鄠€信道的每個信道諧振。
9.權利要求8的光子互連，其中光子耦合到波導的所述多個微環(huán)還包括鄰近波導定位的所述多個微環(huán)的第一部分和鄰近波導定位的所述多個微環(huán)的第二部分。
10.權利要求8的光子互連，其中每個微環(huán)還包括位于微環(huán)內(nèi)的η型半導體區(qū)和位于微 環(huán)外的P型半導體區(qū)，或者位于微環(huán)內(nèi)的P型半導體區(qū)和位于微環(huán)外的η型半導體區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明的各個實施例涉及可以用于計算機系統(tǒng)部件之間的芯片上以及芯片外通信的光子互連。在本發(fā)明的一個實施例中，光子互連(108)包括多個芯片上波導(308)。另外，光子互連可包括多個芯片外波導(310、620)和至少一個光電子轉(zhuǎn)換器(306)。所述至少一個光電子轉(zhuǎn)換器(306)可以光子耦合到所述多個芯片上波導(308)的一部分，可以光子耦合到所述多個芯片外波導(310、620)的一部分并且與至少一個計算機系統(tǒng)部件(615-618)電子通信。
文檔編號G02B6/12GK101910897SQ200880122377
公開日2010年12月8日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權日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