1　引　言
　　巨型计算机(Supercomputer)是现代科学技术，特别是国防尖端技术和高技术的迫切需要。随着集成电路技术的发展，依靠提高主频来提高系统性能，难度越来越大，目前比较一致的看法认为巨型机的发展趋势是大规模并行机(Massive Parallel Machine)。它可以是集中为一台整机的紧密型，或为分散的分布行多机系统。这不仅在技术上成为可能，而且在经济上也是可行的。
　　目前，大规模并行机从连接性质来看有两种^〔1〕：一种就是分布式内存计算机。另一种是共享内存计算机。无论哪一种，这其中的关键是需要高效、快速、大容量的互连网络，以实现处理器和处理器或处理器和内存之间的信息交换或者通信。
　　人脑进行学习和判断的核心并不是逻辑运算，而是互连网络的构成。电子器件开关速度，比人脑神经细胞的反应速度至少快一万倍^〔2〕。人脑神经系统具有巨量并行处理单元和互连。研究表明，一个神经网络大约有一千亿个神经细胞，每个神经细胞有高达一万个突触(Synapse)与周围相连接。这充分说明人脑的智能不单是由神经细胞的反应速度，而是由高度互连的巨量神经细胞的并行处理能力所决定的。
　　在传统的电互连网络中，由于任何连接导线都存在着一定的RC延时，随着器件工作频率的提高，RC延时可能超过了晶体管开关时间，造成了互连带宽受限于连接导线，会产生时钟扭歪现象(Clock Skew)。另外，由于VLSI尺寸的缩小，会使连接导线拥挤，没有足够的空间来排列，彼此之间的耦合、干扰增大。总之，伴随着集成电路技术中的器件尺寸减小，芯片尺寸增大，频率的提高以及数据流量的剧增，电互连在带宽、互连密度、时钟扭歪、能耗、抗干扰性等方面均受到限制，即所谓“电子瓶颈”。用光互连来解决该计算机中通信的“电子瓶颈”问题在80年代初被提了出来^〔3〕。
　　光互连是以光子作为信息载体来实现计算单元之间的信息交换。由于光互连的带宽大、速度高、抗电磁干扰能力强、能避免“电子瓶颈”、以及可实现波长通道等优点，其在计算机系统中的应用，信息处理技术是不可少的，主要表现在数据交换、消除“电子瓶颈”和拓扑结构等方面。光互连的分类从结构来看，可分为：芯片内的互连；芯片之间的互连；电路板之间的互连；计算机之间的互连；从互连所采用的信道来看，可分为：光纤互连；波导互连；自由空间互连等。各种结构有各自的信息处理功能。

2　实现光互连的物理依据
2.1　光学信息通道的信息流量大
　　光子物理本性不具有静质量，可以在真空中或介质中传播，并且很容易通过真空和介质的界面，无论是在光波导中还是自由空间中，光信号都以该介质中的光速传播而与接受信号的元件数无关，传输信息的速度高。即使考虑电－光、光－电转换及信道的限制，目前技术也可提供几个GHz的带宽^〔4〕而且光在传播过程中能量损耗很小，对计算机而言，损耗可忽略不计^〔5〕。
2.2　光学固有的并行性
　　光子不像电子那样带有电荷，电子之间通过电磁场而相互作用，导致电子信号容易相互干扰或受外界影响，当频率很高时更严重^〔6〕。光子之间很难相互作用，光波可相互穿越，只要交叉角大于10°左右^〔7〕，就不会有明显的交叉耦合。光互连不受平面或准平面的限制，而且不仅可以芯片间进行I/O连接，还可以在芯片内进行I/O连接。限制光互连密度主要有两个因素^〔8〕：对自由空间而言是可分辨的光点尺寸，对波导而言是所要求的波导尺寸。
2.3　光互连的扇出数高
　　考虑电－光和光－电转换效率、传输长度、频带等因素，可知光互连的扇出数比电互连大许多倍^〔9〕。并行处理的巨型机，即使有限的扇出能力，也可以显着提高计算机的性能，即使广播是以较低的数据传输速率进行，性能也会有很大改进。光互连的扇出数主要受到可以用于探测器的功率限制。
2.4　光互连易实现重构
　　光互连并不一定需要实际的“硬”连接，可以把互连图形信息写入到可重构的光互连部件，从而实现动态互连。

3　光互连网络的主要技术指标
　　一个典型的光学交叉开关互连网络如图1所示，其信息处理的目的通过光控或电控光学开关阵列实现以下数学模型：

C=A^.B

图1　光学空间光调制器互连网络模型　光源A　空间光调制器B　探测器C

式中， 、 为N维行向量，B为N×N矩阵^〔10〕。A为输入光源，可以是N个LED或LD列阵，二进制信号1代表某一光强，0代表不发光；B是光学空间光调制器(光控或电控)，其中的“0”代表关态即光不能通过，1代表开态即光能通过；C为N个实时探测器输出的。这种光学矩阵并行运算光互连结构，就是所说的广义光学交叉开关互连网络，不仅是具有可重构性和非阻塞性的单级网络，而且通过光学交叉开关阵列传输数据可以是异步方式，是一种功能最强的互连网络。
　　互连系统的性能除了与互连结构有关外，还取决于光源、光学系统、开关器件和探测器等的性能，该光学交叉开关互连网络有三个主要参数：互连数目、重构时间和数据传输速率。
3.1　互连数目N
　　互连数目是互连网络所能实现的最大连接数目。计算机间的数据传输，误码率要求低于10^-9，而计算机内的数据传输，误码率要求低于10^-12。一些的是采用纠错码技术，降低误码率，从而提高互连数目。纠错码一般适用于功率受限而带宽不太受限的信道，这恰好和光通信的特点相一致。从计算结果可知，N＝500是可以实现的，采用多级网络的话，N＝1，000～20，000是可能的。
3.2　重构时间T
　　重构时间是改变全部开关的时间，即建立一个完全不同的互连路径的时间。原则上，重构时间应小于1个数据位的持续时间，但在保证数据不丢失的前提下，且每一种互连路径下传输的数据量比较大时，重构时间大于一个数据位的持续时间也是很有意义的。
3.3　数据传输速率
　　数据传输速率是在给定误码率的互连路径中的数据位速率。对于自由空间被动光学交叉开关互连网络，内不存在光信号的探测和再生，数据传输速率决定于光源和探测器的带宽，以及探测器所能接收到的平均光功率(与光源功率和信道损耗有关)。分立LD和探测器的带宽分别可达20GHz和40GHz，再考虑到光源功率、N/C比值、光学系统损耗和探测器的灵敏度等因素，实现1Gb/s的数据传输速率是很容易的；目前，实验室水平的光开关的开关时间已达到达0.1ps、光窄脉冲达30fs，光学系统的数据传输速率的潜力很大。

4　实时空间光调制器互连结构中的信息处理技术
　　下面例举一些使用全息光学元件和空间光调制器的互连方案。
4.1　空间光调制器(SLM)的光互连方案^〔11〕
　　采用矩阵－矢量内积结构，如图2所示。光源采用1－DLD列阵，波长为0.83μm，尾纤为100－140μm阶路光纤；SLM采用Hughes IR LCLV，中心波长在800－850nm，电子束导址(CRT)，探测器用UDT光电二极管列阵。估计连接数目小于100－150，重构时间约200ms，数据传输速率小于100MHz。

图2　矩阵一矢量并行内积结构

4.2　全息互连网络^〔12〕
　　该方案使用了SLM和多路全息图，如图3所示。SLM用来对1－D光场进行编码，动态控制全息路径。SLM是4×4FLC SLM，帧速10KHz，消光比25∶1光折变材料用LiNbO₃，必需事先做上角度多路全息图。

图3　用空间光调制器(SLM)和多路全息图的互连结构

5　光纤互连网络中的信息处理技术
　　光互连技术在并行计算机中的应用可以提高其互连系统的带宽，增强结构拓扑的灵活性，但也会给并行计算系统带来一些问题。这些问题包括握手协议，通讯缓冲器的带宽，以及协议处理的开销。光互连代替电子导线的互连起码需要增加两个环节，发射端的电光转换和接收端的光电转换。现代光电器件的光电、电光转换延时已经可以做得很小了，但从计算机的数字电平到光电器件的驱动电平、以及由光电接收信号向数字信号的转换的延时仍然是需要解决的问题。因此，降低开销和延迟也是信息处理的一部分。
5.1　处理器阵列中的并行光互连处理技术^〔3〕
　　本文介绍了两个阵列处理器之间应用了光纤互连的研究工作。每个处理阵列有32个处理器单元，如图4所示。在每个处理器单元上设有两个光互连链路的连接端口，一个是输入端口，另一个是输出端口。对于整个系统，具体的设计是在每个阵列内部的互连采用电互连，而在阵列之间是光纤连接，如图5所示。光纤通过一个电子的交叉连接开关阵列与处理器光互连端口相连。光互连的任务是实现前第(i,j)个处理器单元与后一个阵列上的第(k,l)个处理器单元的数据交换。其交换采用一个电子交叉连接开关阵列进行变换，但由于光互连链路的接口是设计在每个处理器的总线上的，光纤链路连接的两个点是可以根据系统结构的需求做变换的，因而阵列之间可以构造灵活的连接方式。

图4　有32个处理器单元的处理阵列

5.2　计算机系统光互连链路的并行接口处理技术
　　本节介绍了建立在PC机群系统为应用目标的光互连研究工作。
5.2.1　互连链路中虚拟并行处理技术　基本适合PCI总线带宽32bit×33MHz速率应用，建立了低成本的虚拟并行光互连链路，其框图如图6。这种链路用TDM方式实现系统机与系统机之间总线互连，对用户来说，链路的两端是并行的输入、输出。链路对传输的信号是透明的，无论传输的是数字信号，控制信号，还是其它的信号，链路不对其产生任何变换，链路是由一对链路计算机接口卡和两条光纤组成。接口卡可以直间插在计算机的总线上。在链路中，加入了匹配光互连带宽与计算机系统总线数据存取带宽的环节，实现了总线以直接存储器存储(DMA)方式在链路上传输数据。

图5、图6　虚拟并行互连链路框图

5.2.2　光互连链路中路由处理技术　在光互连链路中加入路由处理功能单元，将单纯的系统之间的互连扩展到网络互连。环网是一种简单、实用的网络，特别是对于小网络规模和高速率通道的情况。如果在网络接口卡上设计出对路由协议的高速处理单元，并结合光互连的高带宽，便可以实现一高效率的环网。从链路到环网，链路接口卡是从两个进出端口(一端连接总线，一端连接光纤)，变为三个进出端口，即一端通向总线，两端连接光纤进出端口，示意图如图7所示。在三叉口上，接口卡加入了一个对数据目的地址进行识别并能够对数据做传输方向转换的逻辑处理单元。逻辑处理单元执行对传输数据的目的地址的识别，数据流向的控制，传输协议的处理等功能。逻辑处理单元采用FPGA器件实现，在整个电路中形成嵌入式结构。

图7　光互连链路中加入路由处理功能单元

5.2.3　计算机环网中波长路由处理技术　本文还提出用多波长路由构成多环网的设计，实现了双波长路由构成双环网系统。更有价值的是波长路由寻径的功能^〔14〕，因为每一种波长本身就是一个“地址代码”^〔15〕，利用波长的寻址功能可实现一种全光的互连网络，并能减少转发延迟，避免了从在源结点到在目的结点电光、光电变换，使交换结点的传输带宽不受电子器件或光电转换器件的限制，并有效地降低了网络传输延时。为了克服波长资源的限制，本文采用把每个结点扩展为一个环网的方法，用波长来实现不同环网的路由，增加互连网络中的结点数，使整个网络具有非常好的可扩展性。

6　结　论
　　目前的光互连方案从信道来分主要有：光纤互连、波导互连、自由空间互连三种。
　　自由空间光互连适用于芯片之间或电路板之间这个层次上的连接，可以使互连密度接近光的衍射极限，不存在信道对带宽的限制，易于实现重构互连。如本文讨论的空间光调制器互连结构中的信息处理技术，其主要借助于光学信息处理技术中的有关技术和器件，如实时空间光调制器(SLM)，光学全息元件(HOE)等。由于器件尚不能达到实用化，仍处于研究阶段，是当前自由空间光互连研究热点之一。
　　光纤互连适用于电路板之间或计算机之间这个层次上的连接，其借助于光通讯中的有关先进技术应用于计算机光互连中，已进行了好几种互连方案的实验工作。与电互连比其优点是长度－带宽积高、扇出量大、系统的功耗低等，采用分立的光源和探测器，当前已能达到实用化阶段。但是，光纤光互连有自己的特色：有更低的误码率，非常重视器件要有极低的延时，按一定的拓扑结构组合并有相应的软件支持等。光纤光互连是波导光互连之一种，波导互连可以提供高密度互连通道，适用于芯片内或芯片之间这个层次上的互连，采用集成光源和探测器，由集成光路来完成连接，这一种互连目前还不很成熟^〔16〕。
　　自由空间光互连和光纤光互连在结构上必须有光学发射器和接受器，必然存在着光电转换和电光转换。“电子瓶颈”效应减弱了，又可能出现“光电瓶颈”。采用无源器件实现波长路由网络在一定程度上可减少“光电瓶颈”效应。这是当前光互连发展的重要方向。

作者单位：天津大学现代光学仪器研究所，天津　300072

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