[发明专利]计算机系统设备中的全光学快速分布式仲裁

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及计算机系统设备中的资源仲裁，并且更特别地涉及在提供计算机系统设备中的计算机系统部件之间的通信的光子互连中的光学信道仲裁。

背景技术

在二十世纪六十年代中期，半导体制造商观察到，在集成电路上制作的电路(诸如晶体管)的密度大约每18个月翻一番。这种趋势已延续并且现在被称作“摩尔定律”。晶体管密度被看作是计算机处理能力的粗糙度量，所述计算机处理能力又对应于数据处理速度。尽管最初摩尔定律是作为观察结果而得出的，但是随着时间的推移摩尔定律已被半导体工业广泛地接受作为提高计算机处理能力背后的基本驱动力。结果，半导体制造商已研发了用于将芯片部件的大小减小到微尺度乃至纳米尺度尺寸的技术。计算机系统(其一些示例是存储器模块系统、单核处理器设备或多核处理器设备)的计算机系统架构在试图跟上摩尔定律的同时正面临限制。

多核系统示例说明所面临的一些问题。近年来，半导体工业已研发了包括两个或更多被称为“核”的子处理器的处理器。例如，双核处理器包含两个核，而四核处理器包含四个核。典型地，这些核被集成，共享到系统的其余部分的相同互连，并且可以独立地操作。尽管半导体制造商可以提高单个核的晶体管密度，但是半导体制造商由于功耗效率低而未朝这个方向前进。替代方案是提高单个管芯上封装的核的数量。管芯是其上制作集成电路(“芯片”)的单层半导体材料。然而，芯片上和芯片外通信已成为针对需要这些多核芯片的、苛刻的数据密集型应用保持性能增长的关键问题。计算带宽随核数量的增长而线性地缩放，但是可以使用顶级金属线横跨多核芯片传送数据的速率正以慢得多的速度在提高。另外，数据可以通过沿着芯片边缘定位的管脚而传送到芯片外的速率也比计算带宽更慢地增长，并且芯片上和芯片外通信的能量成本明显限制可获得的带宽。结果，计算机架构现在处于十字路口并且物理学家和工程师正在寻找对使用金属线进行芯片上和芯片外通信的替代方案。

计算机系统部件(诸如芯片上的核)通过共同互连而彼此通信并且共享资源。一种避免冲突或碰撞的机制是通过使用仲裁机制，这些部件可以通过该仲裁机制确定在任何给定的时间哪个获得对资源的访问。

对共享资源的仲裁对于许多系统的性能是关键的，然而在许多请求器间对资源的高效仲裁相对于处理器时钟周期而言往往是很慢的。而且，在高处理器时钟频率下，给定适度复杂的电实施方式，仲裁可能消耗大量的功率。

控制N输入N输出交叉开关(crossbar)以把唯一发送器分配给每个输出端口是计算机联网中的标准问题。通常的硬件解决方案被设计用于带有虚拟输出队列(VOQ)的系统，其中每个发送器具有每接收器一个VOQ。可能的最佳解决方案可以通过脱机顺序算法在O(N2.5)时间内被计算出来，即通过Hopcroft-Karp算法针对二分图中的最大匹配进行计算，但这对于用作交叉开关仲裁方案而言将太慢。相反，对于电子控制的网络交换结构，使用联机、并行迭代方案。在多回合迭代过程的每个回合中，发送器请求向接收器发送的权利，仲裁器响应于这些请求中的一些而发送回准予，并且一些准予然后被接受。最大匹配在O(1og2(N))回合中被实现。所需的时间典型地以数十微秒来测量。

期望的仲裁方案可以以与它正在其中操作的系统相称的速度执行它的任务以避免成为瓶颈并且是低功率的。低复杂度也是仲裁系统的期望特征。

发明内容

本发明的各个实施例涉及用于计算机系统设备中的经由光子互连而通信耦合的计算机系统部件的全光学分布式仲裁的系统和方法。计算机系统中的光学仲裁的实施例提供带有固定优先级和不固定优先级的仲裁方案。不固定优先级方案实施例可以提供仲裁的公平性。在一些实施例中，组合仲裁和光功率的传送。

附图说明

图1示出依据本发明实施例的层叠计算设备的横截面图。

图2示出依据本发明实施例的计算设备的部件的示意表示。

图3示出依据本发明实施例的图1所示的计算设备的四个管芯层的分解等距视图。

图4A示出依据本发明实施例的处理器管芯集群(cluster)。

图4B示出依据本发明实施例的存储器管芯的块片(tile)。

图5示出依据本发明实施例的图4A-4B所示的块片和集群的部件之间的相互作用的示意表示。

图6示出依据本发明实施例的图1所示的计算设备的四个管芯层的放大分解等距视图。

图7A示出依据本发明实施例的光学管芯的示意表示。

图7B示出依据本发明实施例的图7A所示的光学管芯的区的放大图。