基於總線的可縮放光學結構的製作方法

2023-05-23 07:41:01

專利名稱：基於總線的可縮放光學結構的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及計算機系統，並且特別涉及光學互連。
背景技術：
新開發的軟體和對現有軟體的改進持續產生對計算機系統的處理能力和存儲器容量的不斷增加的需求。諸如刀片系統之類的典型的高性能機架安裝計算機系統包括多個處理器板和存儲器板，其通過電子互連結構(fabric)進行電子通信。理想的互連結構允許處理器和存儲器獨立地縮放以便用足夠的存儲器或處理速度來重配置計算機系統以滿足軟體的計算需求。


圖1示出了依照本發明的實施例配置的示例一維多總線結構的示意性表示。圖2示出了依照本發明的實施例配置的示例收發機的示意性表示。圖3示出了依照本發明的實施例的被光學地耦合到四個節點的示例光學總線的示意性表示。圖4示出了依照本發明的實施例的與光學總線的波導進行光學通信的η個節點的示例。圖5示出了依照本發明的實施例配置的示例二維多總線結構的示意性表示。圖6示出了依照本發明的實施例配置的示例一維存儲器結構的示意性表示。圖7示出了依照本發明的實施例配置的用於擴展存儲器設備的示例收發機的示意性表示。圖8示出了依照本發明的實施例配置的示例二維存儲器結構的示意性表示。圖9示出了依照本發明的實施例配置的單插座處理器板的示例。圖10示出了依照本發明的實施例配置的雙插座處理器板的示例。圖11示出了依照本發明的實施例配置的示例八插座計算機系統的等角視圖和示意性表示。圖12示出了依照本發明的實施例配置的示例三十二插座計算機系統的等角視圖和示意性表示。圖13示出了依照本發明的實施例配置的存儲器擴展板的示例。圖14示出了依照本發明的實施例配置的具有存儲器擴展的示例計算機系統的端視圖。圖15示出了用於計算機系統的四個節點的一維布置的基於環的光學互連的示例。圖16示出了計算機系統的四個節點的基於切換器的光學互連的示例。圖17示出了用於計算機系統的十六個節點的基於環面(torus)的光學互連的示例。
圖18示出了十六節點計算機系統的兩層基於切換器的光學互連的示例。
具體實施例方式在實踐中，計算機系統的互連結構提供有限的縮放容量，並且可能未被配置為隨著將來可能在相同系統上運行的軟體的計算需求而縮放。處理器的速度已經由於技術改進的原因而穩定地增加了，這已經幫助解決了一些數據處理需求。特別地，集成電路技術方面的發展已經顯示出在減小計算機組件的尺寸方面的顯著進步，這導致了組件密度的增加， 信號線的橫截面尺度的減小和增加的數據速率。在互連結構中電子信號線總線在傳統上已經被用來連接各板，但是由於增加了數據速率，所以信號完整性減低了。結果，計算機系統中連接到總線的電路板的數目減少了，並且在許多情況下，已經用點到點電子互連取代了總線。點到點電子互連可以用來產生可縮放電子互連結構。然而，這些電子互連結構具有多個缺點。它們設置起來可能是勞動密集的，並且通過常規電子互連來發送電子信號消耗大量的功率。另外，變得越來越難以縮放電子互連的帶寬，並且通過常規電子互連結構來發送電子信號所需的相對時間量正在變得太長以至於不能充分利用由更小且更快的組件提供的高速性能。計算機系統的製造商、設計者和用戶已經認識到了針對高速的基於總線的互連結構的市場，其能夠被縮放以在沒有當前採用的電子互連結構所固有的約束的情況下滿足對計算機系統的不斷增加的需求。本發明的各種實施例針對產生用於計算機系統的可縮放光學互連結構的多個光學總線的布置。依照本發明的實施例配置的光學互連結構允許計算機系統的處理器和存儲器獨立地進行縮放，使得能夠將計算機系統重新配置為滿足軟體的變化的計算需求。特別地，光學互連結構實施例允許以低等待時間來將大量的處理器進行互連，並且能夠在功率消耗和尺寸方面且在不增加顯著等待時間的情況下高效地縮放存儲器。光學互連結構包括多個光學總線，與常規電子和光學互連結構相比，其提供了相對更低數目的光學信號跳數， 更低的功率消耗，並且能夠適應比相對更高的數據速率。如下組織本發明的詳細說明。在第一小節中提供了光學互連結構實施例的一般說明。在第二小節中提供了光學互連結構的實現方式。最後，在第三小節中提供了光學互連結構實施例的優點說明。光學互連結構
圖1示出了依照本發明的實施例配置的示例多總線光學結構102的示意性表示。多總線結構102是一維光學互連，其包括提供四個節點108-111之間的光學通信的四個光學總線104-107。這些節點可以是處理器、存儲器控制器、伺服器、多核處理單元的群集、電路板、 外部網絡連接，或者任何其它數據處理、存儲或傳送設備的任何組合。例如，節點108包括與處理元件(「processing element, PE」)114進行電子通信的路由器112。PE 114可以是單處理器或多核處理器且包括本地存儲器。在圖1中，諸如箭頭1M-127之類的方向箭頭表示在節點108-111與光學總線104-107之間發送的光學信號。光學總線104-107包括用於在節點108-111與光學總線104-107之間傳送光學信號的四個單獨結構埠。每個節點與光學總線中的一個進行光學通信以便廣播光學信號，並與其餘三個光學總線進行光學通信以便接收從其它三個節點廣播的光學信號。換言之，每個節點通過相關聯的光學總線向其它節點廣播光學信號。可以將廣播節點稱為主節點。例如，PE 114生成在被發送到路由器112的電子信號116中編碼的數據。在此實施例中，路由器112包括下文參考圖2描述的收發機，其將電子信號轉換成編碼相同信息的光學信號並將光學信號1 發送到光學總線 104。光學總線104將從節點108接收到的光學信號廣播到節點109-111中的每一個，如方向箭頭130-132所指示的。如圖1中的示例所示，節點109-111以相同的方式分別在對相的光學總線105-107上廣播光學信號。方向箭頭125-127分別表示節點108從節點109-111 接收的光學信號。節點108將在光學信號中編碼的數據轉換成電子信號以進行處理。節點108-111中的每一個包括用於發送和接收光學信號的收發機(圖1中未示出)。在某些實施例中，可以將收發機實現為路由器的一部分。在其它實施例中，可以將收發機實現為與路由器進行電子通信的單獨設備，如下文在實現方式小節中描述的。圖2示出了依照本發明的實施例配置的示例收發機202的示意性表示。收發機202包括傳送機204、 三個接收機205-207和接口電子裝置208，其與傳送機204和接收機205-207進行電子通信。傳送機204包括發光源陣列，諸如發光二極體、半導體雷射器或垂直腔表面發射雷射器 ("vertical cavity surface emitting laser, VCSEL」)。在某些實施例中，可以將所述源配置為以近似相同的波長發射電磁輻射。在其它實施例中，可以將每個源配置為發射提供密集波分復用信道間距的不同波長。在另外其它實施例中，可以將所述源配置為發射在提供粗波分復用信道間距的波長範圍內的波長。波分復用的使用減少了相同信道數目所需的波導的數目。在圖2中所示的示例中，傳送機204包括12個源，其中的每一個由接口電子裝置208單獨地控制以發射光學信號。方向箭頭210每個表示由12個源中的一個生成的單獨光學信號。在某些實施例中，可以在單獨的波導中將光學信號210發送到多總線結構 102中的光學總線中的一個，或者在其它實施例中，可以將單獨的光學信號210光學地直接從傳送機204源耦合到相關聯的光學總線，如下文參考圖3和4描述的。例如，收發機202 可以表示節點108的收發機，並且在圖1中用方向天線IM來表示由傳送機204生成的12 個光學信號210。接收機205-207中的每一個包括光電檢測器陣列。在圖2中所示的示例中，接收機205-207均包括12個光電檢測器的陣列。光電檢測器可以是p-n結或p-i-η結光電檢測器。各組箭頭211-213均表示由不同的路由器以與由傳送機204生成光學信號相同的方式生成的12個光學信號。例如，收發機202可以表示圖1中的節點108的收發機，並且在圖1中分別用方向箭頭125-127來表示發送到接收機205-207的各組光學信號211-213。 在某些實施例中，可以經由單獨的波導將每個光學信號載送到接收機的光電檢測器。在其它實施例中，可以將每個光學信號光學地直接從相關聯的光學總線耦合到接收機的光電檢測器。接口電子裝置208以電子方式將傳送機204和接收機205-207耦合到相應節點的電子組件。接口電子裝置208可以包括用於操作傳送機204的發光源的驅動器且可以包括用於將由接收機205-207的光電檢測器生成的電子信號放大的放大器。接口電子裝置208從該節點接收電子信號並將所述電子信號發送到傳送機204以生成光學信號。波導 211-213將單獨的光學信號引導到接收機205-207的光電檢測器。單獨的光學信號被轉換成單獨的對應電子信號，其被發送到將電子信號發送到該節點的接口電子裝置208。返回到圖1，光學總線104-107均配置有多個單獨的波導和用於將由一個節點生成的光學信號廣播到其它三個節點的光學分接頭。特別地，可以將多總線結構102配置為使得由任何一個節點廣播且被其它三個節點接收到的各光學信號以近似相同的光學功率到達。圖3示出了依照本發明的實施例的圖1中所示的被光學地耦合到節點108-111的光學總線104的示意性表示。光學總線104包括12個單獨的波導302。圖3揭示了圖1 中所示的每個光學信號1 經由諸如反射鏡之類的反射設備304被光學地耦合到光學總線 104中的波導302中的一個。可以使用波分復用來將從節點108輸出的光學信號中的每一個注入到波導302的每一個中。圖3還揭示了圖1中所示的光學信號126-128由12個單獨的光學信號組成。光學信號126中的每一個經由光學分接頭306被從波導302引導到節點109，光學信號127中的每一個經由光學分接頭308被從波導302引導到節點110，並且光學信號128中的每一個經由反射設備310被從波導302引導到節點111。光學總線104是被配置為接收由節點108生成的12個光學信號並將這12個光學信號以近似相同的光學功率廣播到節點109-111中的每一個的扇出(fan-out)總線。在某些實施例中，可以將光學分接頭306配置為作為1/3:2/3射束分離器進行操作，並且可以將光學分接頭308配置為作為50 50射束分離器進行操作。例如，考慮由節點108生成的單個光學信號的路徑。該光學信號被反射鏡304反射到光學耦合波導302中。光學分接頭306 將該光學信號的光學功率的近似1/3反射到節點109，並且該光學功率的近似2/3沿著該相同波導302被傳送到光學分接頭308。在該光學分接頭308處，該其餘2/3光學功率的近似 1/2被反射到節點110，而該光學功率的其餘1/3沿著該同一波導302通過光學分接頭308 傳送到反射鏡310，在那裡，其餘的光學信號被反射到節點111。因此，對於由節點108生成的12個光學信號中的每一個而言，節點109-111接收與每個光學信號相關聯的光學功率的近似1/3。多總線結構102不限於將四個節點光學地互連。在其它實施例中，可以將單個一維多總線結構配置為適應少到2個節點和多到5、6、7或10個或更多節點。由傳送功率、總體系統損耗和最小接收機靈敏度來確定節點的最大數目。總的來說，光學總線的光學分接頭被配置為使得當由節點通過光學總線廣播光學信號時，每個節點接收到該光學信號的總光學功率P的近似l/(n-l)。圖4示出了依照本發明的實施例的與波導402進行光學通信的η個節點的示例。波導402可以是上文描述的多總線結構的光學總線的波導，其中表示了 η-2個光學分接頭中的五個404-408和兩個反射鏡410和411。節點412將具有光學功率P的光學信號414輸出到波導402。如上文參考圖2所描述的，可以通過驅動節點412的傳送機的源來生成光學信號。光學分接頭被配置為使得每個節點接收具有近似光學功率P/ (η-1)的光學信號的被反射部分。在圖4中用OTm指明的光學分接頭依照下式將該光學信號功率的一部分 (fraction)反射到光學地耦合的節點
1
ρ rt_
[ηm +■ 2)
並依照下式來傳送該光學信號功率的一部分
權利要求
1.一種用於在多個節點(108-111)之間傳送光學信號的多總線結構(102)，所述多總線結構包括多個光學總線(104-107)，其中，每個光學總線光學地耦合到所述多個節點中的每個節點，並且每個光學總線被配置為使得一個節點將由該節點生成的光學信號廣播到所述多個節點中的其它節點。
2.如權利要求1所述的多總線結構，其中，所述多個光學總線中的每個光學總線(104) 還包括多個波導(302)，其中，每個波導被配置為載送由所述節點之一生成的光學信號中的一個光學信號；和多個光學分接頭(304-310)，其光學地耦合到每個波導，其中，光學地耦合到波導的所述光學分接頭被配置為將由所述波導載送的光學信號的一部分引導到其它節點中的一個節點。
3.如權利要求2所述的多總線結構，其中，所述波導包括中空波導和光纖中的至少一個。
4.如權利要求2所述的多總線結構，其中，使用波分復用來將由所述節點之一生成的每個光學信號注入到所述多個波導中的每一個中。
5.如權利要求1所述的多總線結構，其中，每個光學總線被配置為將由一個節點生成的光學信號廣播到其它節點，還包括所述光學總線已被配置為使得其它節點中的每一個以近似相同的光學功率接收相同光學信號。
6.如權利要求1所述的多總線結構，其中，所述節點還包括路由器(112)和處理元件 (114)。
7.一種用於在節點(608)和多個存儲器設備(610-612)之間傳送光學信號的存儲器多總線結構(602)，所述存儲器多總線結構包括光學總線(604)，其光學地耦合到所述節點和多個存儲器設備中的每個存儲器設備，其中，所述光學總線被配置為使得所述節點通過所述光學總線向所述存儲器設備廣播光學信號；以及一組光學總線(605-607)，其中，該組光學總線中的每個光學總線光學地耦合到所述節點和所述多個存儲器設備中的一個存儲器設備，並且每個存儲器設備通過該組光學總線中光學耦合的光學總線將由所述存儲器設備生成的光學信號發送到所述節點。
8.如權利要求7所述的存儲器多總線結構，其中，所述第一光學總線還包括多個波導(302)，其中，每個波導被配置為載送由所述節點生成的光學信號中的一個；以及多個光學分接頭(304-310)，其光學地耦合到每個波導，其中，光學地耦合到波導的所述光學分接頭被配置為將由所述節點生成的光學信號的一部分引導到所述存儲器設備中的每一個。
9.如權利要求7所述的存儲器多總線結構，其中，該組光學總線中的每個光學總線還包括多個波導，其中，每個波導被配置為載送由所述多個存儲器設備之一生成的光學信號中的一個；以及光學地耦合到每個波導的多個光學分接頭，其中，光學地耦合到波導的光學分接頭被配置為將由所述存儲器設備生成的光學信號引導到所述節點。
10.如權利要求8所述的多總線結構，其中，所述波導包括中空波導和光纖中的至少一個。
11.如權利要求6所述的存儲器多總線結構，其中，第一光學總線被配置為以近似相同的光學功率將光學信號廣播到所述存儲器設備。
12.—種可縮放計算機系統(1400)，其包括多個節點(1406)；以及多個多總線結構(102、1408、1205)，其中，每個多總線結構被配置為提供兩個或更多節點之間的光學通信，並且每個節點被配置為與兩個或更多多總線結構光學地耦合，其中，每個節點通過光學地耦合到所述節點的兩個或更多多總線結構向兩個或更多節點廣播光學信號以及接收從其廣播的光學信號。
13.如權利要求12所述的可縮放計算機系統，其中，每個多總線結構還包括光學地耦合到一個或多個節點的多個光學總線，並且每個光學總線被配置為接收所述一個或多個節點中的一個生成的多個光學信號以及將所述多個光學信號廣播到光學地耦合到所述光學總線的其它節點。
14.如權利要求12所述的可縮放計算機系統，還包括多個存儲器設備(1414、1416)；以及多個存儲器多總線結構(602、1418)，其中，所述存儲器多總線結構將一個或多個存儲器設備光學地耦合到所述節點中的一個節點，使得所述節點向所述一個或多個存儲器設備廣播光學信號，並且所述存儲器設備中的每一個將光學信號直接發送到所述節點。
15.如權利要求12所述的可縮放計算機系統，其中，所述存儲器多總線結構(602、 1418)還包括多個光學總線，其光學地耦合到所述節點和一個或多個存儲器設備，使得所述光學總線中的一個被配置為接收由所述節點生成的多個光學信號以及將所述多個光學信號廣播到所述一個或多個存儲器設備，並且其它光學總線中的每一個被配置為接收由所述存儲器設備中的一個生成的多個光學信號並將所述光學信號傳送到所述節點。
全文摘要
本發明的各種實施例針對將產生用於計算機系統的可縮放光學互連結構的多個光學總線的布置。在一方面，用於在多個節點(108-111)之間傳送光學信號的多總線結構(102)包括多個光學總線(104-107)。每個光學總線被光學地耦合到所述多個節點中的每個節點，並且每個光學總線被配置為使得一個節點將由該節點生成的光學信號廣播到所述多個節點中的其它節點。
文檔編號H04B10/13GK102461019SQ200980160336
公開日2012年5月16日 申請日期2009年5月6日 優先權日2009年5月6日
發明者戈斯丁 G., R. T. 譚 M., 麥克萊倫 M. 申請人:惠普開發有限公司