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引言7 a w! {2 c; G% `& U! o
可編程光電子集成線路(PPICs)正在成為一項(xiàng)具有巨大創(chuàng)新潛力的新興技術(shù),在量子光學(xué)、通信和機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。這些線路可以被編程執(zhí)行各種功能,無(wú)需定制設(shè)計(jì),有望徹底改變我們?cè)谛酒喜倏v光的方式。本文將探討PPICs的不同架構(gòu),重點(diǎn)關(guān)注其路由能力以及各種因素對(duì)性能的影響。
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1 [6 W. X) G5 G* \Mesh架構(gòu)% l. s) q+ w( t3 b4 W9 L: L( W
PPIC的核心是由波導(dǎo)和可調(diào)諧耦合器組成的mesh結(jié)構(gòu)。這些耦合器可以被編程為不同的狀態(tài)(直通、交叉或耦合),從而靈活控制線路中的光流。這些組件的排列形成了mesh架構(gòu),對(duì)線路的路由能力有顯著影響。
2 k% y C, g H" d3 A! Q& J9 k( r
' S8 I9 n; U4 W; @* O讓我們來(lái)檢視四種主要的mesh架構(gòu):三角形tile方形tile六邊形tile環(huán)連接直線(RCSL)
1 @; y: H5 s( V6 Q$ ~[/ol]; M2 l9 t c N7 X: E
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) R* b( j: y3 u1 O7 b5 c圖1展示了這四種架構(gòu)。
" M$ d+ L# u8 w; W% v每種架構(gòu)都有其獨(dú)特的特征,影響路由性能:
; V- Z( B' f- L/ G1 S
: w6 E5 W) V6 T6 Y1. 三角形tile(圖1a):這種架構(gòu)使用最小的規(guī)則形狀進(jìn)行鋪設(shè)。然而,它傾向于為光信號(hào)創(chuàng)建低效的之字形路徑。
( x- b2 D. B7 v6 C+ i- |
# m- H( y' R; ^8 p) S" Y2 j8 K2. 方形tile(圖1b):一種常見且簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì),但在某些路由情況下可能導(dǎo)致不必要的長(zhǎng)路徑。5 T C/ @) C; E& E" H: t
( r2 h2 ^+ \1 v3. 六邊形tile(圖1c):這種架構(gòu)在路由方面提供了更多的靈活性,通常被認(rèn)為是最有潛力的設(shè)計(jì)。
8 ~0 K9 i4 [) D* z* h# I! w( }0 N' a; }' ?/ I5 ?% M; Z0 N
4. 環(huán)連接直線(圖1d):這項(xiàng)研究中引入的一種新型設(shè)計(jì),旨在提供高效的直線路由選項(xiàng)。, B& l1 h) T7 ^ @- h% ^% ^
+ U5 h: ~5 f0 x; Y, D, ]
+ @# I h' _4 D0 r$ z: \2 t
光電子Mesh中的路由
- L; p V7 e' t! z2 f. QPPICs中的路由涉及通過mesh將光從源端口引導(dǎo)到目標(biāo)端口。每個(gè)可能的連接都可以表示為一個(gè)圖,外部端口作為將光耦合進(jìn)出mesh的接口。/ ~# Z( c% L# R2 h% j7 t! b
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) N4 H( Q5 s8 h4 ^. ^圖2顯示了六邊形波導(dǎo)mesh中可能連接的圖形表示。彩色節(jié)點(diǎn)代表外部端口,而內(nèi)部連接說(shuō)明了光在mesh中可能采取的路徑。3 u6 y- e( o! I+ a" u
8 a6 U0 M( ~. z" f; r- H4 b2 H比較Mesh架構(gòu)6 y* c! ^" K Q! c( q& e( J
為了評(píng)估不同mesh架構(gòu)的性能,我們需要考慮幾個(gè)因素: b: [: q7 X* b1 h3 Y
% h. s( i1 J+ L0 w0 t# L1. 最大可路由commodities數(shù):這個(gè)指標(biāo)表示mesh可以支持多少個(gè)同時(shí)連接。' y) F7 M. V) d- N$ Y2 ?. f- v% t
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) h2 ?& P% ]4 V1 y
圖3顯示了不同mesh架構(gòu)的平均最大可路由commodities數(shù)。六邊形tile和RCSL設(shè)計(jì)始終優(yōu)于三角形和方形tile。
+ Z6 b4 w7 |8 u5 D1 C _7 T
# U: W) ?& r% _8 z5 X2. 平均路徑長(zhǎng)度:這個(gè)指標(biāo)通過考慮信號(hào)必須通過的耦合器數(shù)量來(lái)衡量路由效率。1 i' C E5 I0 {: [" s5 a
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8 {9 O! ?: V/ r( y$ x圖4顯示了不同架構(gòu)的平均路徑長(zhǎng)度。RCSL設(shè)計(jì)平均提供更短的路徑,而三角形tile導(dǎo)致顯著更長(zhǎng)的路徑。
7 w+ y c: D- _) ~) a$ ~6 z+ V; D2 Z
3. 路由效率:這可以表示為實(shí)際路徑長(zhǎng)度與端口之間理想直線距離的比率。
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9 |4 |8 F- j: L* `# L) L1 n. {% l
圖5說(shuō)明了不同架構(gòu)的這種效率比率。較低的值表示更高的路由效率。RCSL和六邊形tile的表現(xiàn)通常優(yōu)于方形或三角形tile。' @( o, [* p% c3 i6 x7 [: B4 F
/ }; V7 d! E+ a a7 a2 p1 U
特定路由場(chǎng)景中的性能
( L) m. Y4 o1 g S雖然隨機(jī)路由模式提供了一般性能概覽,但特定路由場(chǎng)景可以突出不同架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。
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. T6 r( e' V* ~% O3 v圖67 A0 ~ m ~- Y( {: K
7 G4 `+ v; q2 K4 B圖6顯示了三種預(yù)定義的路由模式:
( A8 G T1 R! d+ }類型I:平行的南北和東西連接類型II:交叉對(duì)角線連接類型III:只有南北連接
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7 X5 B! v. X2 b& [
圖7展示了不同架構(gòu)在這些特定場(chǎng)景中的表現(xiàn)。值得注意的是,RCSL在類型I模式中表現(xiàn)出色,而方形tile在類型III模式中表現(xiàn)出人意料的好。. q# D% J; z7 P& T4 W
; t8 |4 Q" f, L
損壞對(duì)Mesh性能的影響! O m- ]( J+ z t* c2 Z3 e! J
在實(shí)際應(yīng)用中,PPICs可能會(huì)受到制造缺陷或運(yùn)行過程中的損壞。了解這些問題如何影響路由能力對(duì)設(shè)計(jì)穩(wěn)健系統(tǒng)非常重要。& x5 H) Z2 p' l; i( `; C0 \# T
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考慮了三種主要的耦合器故障類型:完全故障(100%衰減)卡在交叉模式卡在直通模式
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# n. L- j% ^* M% k' m) Z
圖8說(shuō)明了這些不同的故障模式與正常功能的耦合器的比較。, u. g3 N0 R9 b, y5 y
4 K4 P( \1 ~4 G0 m& K
這些故障對(duì)路由性能的影響差異很大:
2 Z" `" n- }9 [
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; R4 Z, r# @5 j! {" q圖9顯示了不同類型和程度的損壞如何影響路由能力。& T1 L0 ]6 F1 f. ?$ c2 H( i0 ?; f
3 B9 R7 G' `" y0 ?: q
一些關(guān)鍵觀察:6 F% J9 H" z3 x; S0 W7 J
卡在交叉模式的耦合器(圖14a)在約50%的耦合器受影響之前影響相對(duì)較小。卡在直通模式的耦合器(圖14b)導(dǎo)致性能更快下降。完全耦合器故障(圖14c)影響最嚴(yán)重,僅15%的故障耦合器就導(dǎo)致50%的路由能力損失。
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可靠性設(shè)計(jì)
. l$ Q( g) X4 N6 e' n) a: d/ H了解損壞的影響使設(shè)計(jì)者能夠在其PPIC設(shè)計(jì)中加入適當(dāng)?shù)娜哂。例如,如果已知制造過程的良率為90%(10%的耦合器不完美),其中一半的不完美導(dǎo)致完全故障,另一半卡在交叉模式,則應(yīng)將mesh大小增加約25%以保持所需的性能水平。
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結(jié)論& X# n7 U9 J4 V7 ^- D% v
本文提供了可編程光電子集成線路中路由的概述,重點(diǎn)關(guān)注mesh架構(gòu)對(duì)性能的影響。主要要點(diǎn)包括:
/ j3 O/ |8 B2 l, A1 I六邊形tile mesh提供了最佳的整體路由能力,尤其是對(duì)于復(fù)雜的路由場(chǎng)景。新型的環(huán)連接直線(RCSL)架構(gòu)在需要較短路徑長(zhǎng)度的場(chǎng)景中顯示出潛力,特別是當(dāng)mesh預(yù)期不會(huì)被密集使用時(shí)。不同類型的耦合器故障對(duì)mesh性能的影響各不相同,完全故障的影響最為嚴(yán)重。設(shè)計(jì)者可以利用這些信息選擇適當(dāng)?shù)募軜?gòu),并根據(jù)預(yù)期的制造良率和故障模式加入必要的冗余。6 l; x0 A% s) M& A2 @
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隨著PPICs的不斷發(fā)展,理解路由和mesh設(shè)計(jì)的這些基本方面對(duì)于為廣泛的應(yīng)用開發(fā)高效可靠的光電子系統(tǒng)將非常重要。
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參考文獻(xiàn)
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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