编者按 在大规模并行计算机中,处理器之间的相互通讯已成为并行计算的瓶颈,互连技术是硬件技术的主要难题,传统的电互连技术遇到了不可逾越的困难。而光互连技术以其极高的通讯带宽、光波独立传播无干扰、互连数目大、互连密度高以及功耗低等优点,可望成为新一代的互连技术,进而使大规模并行处理机的计算速度能够突破每秒1万亿次。因此,光互连技术在国际上受到广泛重视。目前,美国、日本、英国以及加拿大等国皆投巨资进行光互连网络技术的研制与开发。
本期光互连专题由以下文章组成:
1.光学互连技术综述 本文综述了光学互连技术的研究历史、发展现状、最新动向及未来发展前景。主要包括:光学互连器件、光电子器件制作工艺、光开关结构及控制系统、各种光学互连网络模型及其优缺点,以及光互连网络在大规模并行计算机、ATM数字通讯网络中的应用。
2.半导体光逻辑开关阵列 半导体超晶格量子阱自电光效应器件是80年代后期迅速发展起来的一种新颖的光电混合型光逻辑开关器件。本文介绍了这种光逻辑开关器件的基本工作原理及其在光信息领域应用的各种功能,综述了国内外在器件研制及应用方面的发展状况和目前所达到的水平。
3.光互连在并行机中的应用前景 本文从并行机对互连网络的要求、目前电互连网的现状及光互连技术的发展,分析了光互连在并行计算机中的应用前景。
4.大规模并行机光互连网络的设计 本文讨论了在设计大规模并行计算机的光互连网络时应考虑的问题,并根据现阶段光互连器件和网络技术的水平,设计了一个实用的光互连网络结构。
5.光纤互连技术的发展及其应用 在并行多处理机系统中应用光纤互连网络完成处理单元之间的数据交换,可以极大地提高系统中数据通信的速率、带宽、抗干扰性和准确可靠性。本文阐述了光纤互连的特点和几种光纤互连技术的原理以及互连模式,并介绍了一种光电混合并行多处理机系统的体系结构、光互连实现方法、性能分析和实验结果。
6. 国内光互连技术的研究概况 本文简要介绍了华中理工大学激光技术国家重点实验室在光互连网络和有关器件研制方面所取得的成果。
一、研究背景
光互连技术是从光学数字计算机的研制过程中衍生出来的,现已初步发展成为一门独立的网络通讯技术。当前大规模并行计算机和数字通讯交换机对高速互连网络的迫切需求刺激了光学互连网络技术的发展,使其成为一项热门的高技术研究课题。而当今的集成电路技术及光电混合集成技术为其实现提供了基础,使得光互连网络技术日益成熟,并且正在逐步走向实用化。
现在的高性能计算机均采用并行技术,利用多个处理器的并行计算来提高单处理器不可能达到的性能,以突破每秒1000亿次～10000亿次的计算速度。但是随着处理器数目的增加,处理器之间的相互通讯变成并行计算的主要瓶颈,处理器之间的互连技术是一个关键的硬件技术难题,传统的电互连技术遇到不可逾越的困难。而光互连技术具有极高的通讯带宽、光波独立传播无干扰、互连数目大、互连密度高以及功耗低等优点,可望取代传统的电互连技术而成为新一代的互连技术。
80年代,美苏冷战高潮刺激了全光数字计算机的研究与发展。在这期间,光互连网络技术逐渐成熟起来,成为当今建立信息高速公路的基础之一。90年代以来,美国、日本、英国等发达国家的光学互连通讯技术发展较快。其中具有代表性的研究机构有:美国的AT & T Bell实验室、IBM公司、U-niversity of California、Stanford University、University ofrizona (Optical Sciences Center, World Lab.)、University of South California (Center for Photon Technology, National Lab.),日本的NTT公司、Fujitsu 公司、Hitachi公司,以及英国的Heriot-Watt University等。近年来,日本NTT公司相继报导了COSINEⅠ型、COSINE-Ⅱ型、CO-SINE-Ⅲ型高速光学互连网络系列。而美国AT & T Bell实验室相继报告了第一代和第二代光学数字通讯交换网络实验系统。现在,AT&T Bell实验室对光互连网络的基础性实验研究基本结束,已经开始研制大容量、高传输速率的自由空间光互连网络实用系统。目前,美国贝尔实验室在光互连网络技术方面的研究工作处于世界领先地位。 当前,光互连网络技术已经引起国内外的广泛重视,无论是学术界还是工业界都对此很感兴趣,从最近的国际会议情况可以看到这方面的最新动态。
有关光互连网络技术的国际会议最初是包含在国际光计算会议(Optical Computing)之中,并且是一个专门的分组会议(Session)。1994年4月在墨西哥召开了首届国际光互连大规模并行处理会议(MPPOI―――Massively Parallel Processing Using Optical Interconnections),来自世界各地的不同研究领域的专家、学者共提交了31篇正式论文,会议包括5个分组会议(Sessions)、1个专题讨论会(Panel)。在这次会议上,来自光学、计算机科学和数字通讯技术的专家们共同讨论光互连技术在大规模并行处理中的应用问题,并且决定以后每年召开一次这样的国际会议。在开幕式上,Stanford大学的Goodman教授作了一个题目为"光互连并行处理:挑战和机遇"的特邀报告。分组会议的安排使得来自计算机科学领域的专家与来自光学领域的专家在一起共同讨论有关问题,这也是本次会议的宗旨之一:使来自不同领域的研究人员融为一体,为他们提供自由交流和讨论的机会。特别值得一提的是在本次会议上还有一个专题讨论会:高效光学大规模并行处理互连网络。在这次专题会上,NEC、AT&T、IBM公司及Stanford大学等的专家就光互连网络的现状及前景进行了深入细致的探讨。 1995年10月,在美国德克萨斯州,第二届国际光互连并行处理会议(MPPOI)和第七届国际并行和分布式处理会议(SPDP―IEEE Symposium on Parallel and Dis-tributed Processing)相继召开。这次光互连会议的规模有所扩大,共录用了34篇正式论文,会议包括8个分组会议(Sessions)、2个专题讨论会(Panels),并且这次国际会议正式提出了"并行处理需要光互连,光互连需要并行处理"的口号。由此可见光互连技术在并行处理中的应用已受到高度重视。
从今年的国际光互连并行处理会议上可以看到一个趋势:人们已经开始设计研制100Gb/s的高速光互连网络。
二、发展现状
1. 光电子器件的发展状况 半导体光电子器件是实现高速光互连网络的关键技术,它直接决定了光互连网络的性能及其可行性和实用性。目前,光电转换器件及电光转换器件的研制已比较成熟,其转换速度已达到500MHz以上,能够满足实用化的需求。因此当前实现光互连网络的难点是控制网络结点选通的光逻辑开关器件,现在的光开关速度已达到10-9～10-11秒,但是控制网络结点选通的过程却较慢,网络可重构时间大约20ns,而智能型的自动选通光开关结点尚处于研究开发阶段。 半导体超晶格量子阱自电光效应器件(SEED―――Self Electro-optic Effect Device)是80年代后期迅速发展起来的一种新颖的光电混合型光逻辑开关器件。这种器件利用了量子受限Stark效应(QCSE),即通过多量子阱层对光吸收能力的改变对光进行强度调制。SEED器件的研制发展经历了三个过程:SEED器件、S-SEED器件及FET-SEED器件。目前,SEED器件系列受到高度重视,美国、日本、英国、加拿大等国在器件性能的提高、功能的进一步发展和应用开拓方面取得了很大的进展,主要研制单位有:美国AT & T Bell实验室、University ofCalifornia,日本NTT公司、Hitachi公司,英国Heriot-Watt University等,其中美国贝尔实验室的研究工作处于领先地位。1990年,贝尔实验室利用反射式对称SEED器件阵列作为核心器件,研制成世界上第一台数字光信息处理器,并演示其数字计算功能。同年,在器件的集成度上也得到大大提高。从1992年开始,贝尔实验室又将场效应管(FET)与自电光效应器件(SEED)单片光电混合集成,制成了具有放大增益的FET-SEED灵巧像素(Smart-Pixels),利用此器件阵列,贝尔实验室已研制成五级自由空间光互连网络。 从实现工艺看,最初的光互连网络原理实现模型是由分立元件构成的,这样的互连网络不能满足实用化的需求。后来逐渐发展成为一个集成化的系统。直到现在,由于硅集成技术及砷化镓集成技术的发展,人们已有可能将电子器件及光子器件集成在一个单片上,即光电混合集成(OEIC)。这些技巧将光探测器、光调制器、光发射器及内部电子逻辑元件混合集成在一个GaAs芯片上,构成种类繁多的Smart-Pixels,即灵巧像素列阵。目前Smart-Pixels技术正在发展之中,预计它将在未来的光学互连网络中充当重要角色。不过,据《国外科技动态》最新报道,基于GaAs/GaAlAs的光半导体器件尚处于研究阶段,距实用化还有一段时间。
2.光互连网络技术及其发展现状 一个光学互连网络主要包括以下几个部分: 电光转换:将处理器中需要通讯的数据转换成光信号,准备输入互连网络; 光互连网络传输通讯; 网络中光开关的状态由来自中央处理机的控制信号控制; 光电转换:将网络中的光信号再转换成为电信号,输出到目标端口。
光互连技术综述
当前的光互连网络主要包括三类:自由空间光互连网络、光波导互连网络和光纤互连网络。
(1)自由空间光互连网络 它是指光束在空间中传输,并利用光学器件转折和控制光束的传输。这种光互连网络系统的优点是可以利用三维空间结构,构成各种拓扑结构的互连网络,能够充分发挥光的宽频带和*光波独立传播无干扰的特性,使得数据传输率、互连数和互连密度都可大大提高;由于网络中各开关节点的扇入和扇出都为二,互连系统可以利用光的垂直和水平两个偏振状态,因此光功率损耗低,无相干误码。不足之处是这种光互连网络对光开关的性能要求很高,目前的光电子技术及其集成工艺尚难以满足需求,Smart-Pixels技术离实用化还有一段距离。由于它的三维空间结构,使得这种光互连系统的体积尺寸较大,不便于集成化。
(2)光波导互连网络 它是用集成光学波导做光束传输介质,光束的传输方向由传输介质控制。
(3)光纤互连网络 它可以看成一种特殊的光波导互连网络,它是利用光纤作为传输介质。由于光纤技术在80年代就已成熟,因此光纤互连网络更具有实用性。光纤互连的机械性能好,可靠性及稳定性高,并且很容易与光波导器件相结合,构成高速的光交换网络。光纤互连网络可望在国防、军事等保密环境下得到广泛应用。不足之处是这种光互连网络的规模很难做大,当需要通讯的结点数目成千上万时,光纤无法布线连接。因此,光纤互连不易满足大规模并行计算机中的结点通讯需求。
光互连网络主要应用于异步传输模式(ATM)数字交换机中的通讯及大规模并行计算机中的通讯。从目前的研究状况看,光互连网络技术有可能先在ATM数字交换机中实用化,而在大规模并行计算机中的应用可能还需要较长的时间。这是由于在大规模并行计算机中处理器之间的通讯切换速度太高,现在的光互连网络控制系统还不能满足这一要求,而智能型光开关结点的Smart-Pixels技术尚处于研制之中。此外,由于当前光电混合集成技术的限制,整个光互连网络系统还不能集成在一个芯片上,因此不能将这种互连网络系统直接插入大规模并行计算机内的主机板上,而必须拉出机箱外来连接,如此大大限制了其实用性。
三、光互连技术在大规模并行计算机中的应用
并行计算机主要分为两类:共享主存多处理机(MP机―――Multiprocessors)和分布主存大规模并行机(MPP机,Massively Parallel Processors)。随着处理器数目的增加,互连技术是两类并行机硬件技术的共同的关键难题,传统的电互连技术遇到了很大困难,甚至难以逾越。 光互连可能是解决高性能并行计算机互连技术的一条有效途径。自由空间的光互连不需要"线",在实质性原理上解决了电互连网络中线太多的突出矛盾。光互连,在本质上是快速的,比电信号在传输线上传播速度快。光互连的另外一个特点是无干扰,既无须相互屏蔽,也不要终端匹配防反射。这些显着的优势是非常吸引人的。 目前,光互连网络中的若干重大理论问题已基本突破,有关工艺技术日益成熟,正在走向实用化。 在国际上,美国AT & T Bell 实验室研制的自由空间光互连通讯网络系统可望在2000年投入使用。目前,日本NTT正在研制用于多个处理机并行处理系统的大规模光学互连网络。最近,美国Terabit公司已经开始设计研制100Gb/s的高速光互连网络。 "八五"期间,我国在光电子信息领域的研究工作已取得较大进展。华中理工大学在自由空间光互连网络技术方面做了大量的研究工作,已完成了光互连网络的总体设计,一个8×8自由空间多级分层光互连网络系统样机即将通过鉴定。天津大学研究了光纤互连网络,处理器阵列内部PEs之间采用电子Crossbar通讯,而阵列之间用光纤互连。上海科技大学采用LCLV器件,并选择Transputer作为处理机,相继完成了4×4光互连处理机系统以及16×16光互连处理机系统。此外,国内一些单位,如中国科学院半导体所、电子部13所,在半导体工艺及光电混合集成技术方面也有一定的研究基础。
当前光互连网络技术的迅速发展及良好前景已经引起国家科委的高度重视,特委托国家智能计算机研究开发中心和长沙国防科技大学对我国开展光互连技术在大规模并行计算机中的应用进行可行性论证,提出相应的实施措施方案。拟准备设立一个由半导体、光电子及计算机等领域的专家共同组成的跨学科的研究机构,并结合国家863高技术中的智能计算机组和光电子组的工作,为国家在"九五"期间制定超级863计划提供依据。希望通过各研究单位的共同努力,在2000年左右,使我国在光互连网络技术方面处于国际领先地位,并使我国自己研制的大规模并行计算机系统上升一个新台阶。
