随着高性能计算机(HPC)系统计算性能的不断增长,HPC内部计算节点数量也在不断增加,使得HPC内部互连网络的规模日益扩大。为确保互连网络性能,控制计算节点间数据交换的跳步数和传输延迟,具有更多交换端口的高阶交换芯片设计成为设计下一代高性能计算机互连网络结构的必要组件。基于传统电互连技术实现的电交换结构,由于存在I/O功耗和带宽限制、片内布线拥塞、片上缓冲区资源受限等一系列问题,面临进一步扩展的瓶颈。硅光网络由于具有传输速度快、传输带宽高、低功耗、低信号串扰等特点,成为设计可扩展高阶交换网络结构的热门选择,另一方面,3D芯片集成技术的发展,使得利用TSV实现多芯片层堆叠得以实现。上述两种新技术的发展和成熟,为片上高阶交换芯片的设计提供了新思路,以硅光器件搭建主要的片上交换网络结构,并基于3D集成实现芯片的多层堆叠,设计面向下一代HPC系统的高阶交换芯片,成为本课题的主要出发点。本文基于硅光技术和3D集成技术,从硅光互连高阶交换芯片的结构设计、网络仲裁算法优化、功耗和信噪比分析等方面,寻求解决传统电互连交换芯片在吞吐率、延迟、功耗、可扩展性等方面的问题,本文的主要工作和创新点包括:1、高性能的光高阶交换网络拓扑结构(第三章)基于传统的电互连网络技术设计更高阶数的高阶交换网络时面临带宽和功耗瓶颈,与传统的电互连网络相比,光互连网络在功耗、延迟、带宽等方面具有明显优势;3D集成工艺的出现,为片上互连提供了更高的带宽密度和更少的功耗开销。本文首先将光互连技术与3D芯片集成技术应用于高阶交换芯片的设计之中,利用基于3D芯片集成技术的多光层互连网络(Multilayers Photonic Network on Chip,MPNoC),设计了一种高带宽、低功耗、低延迟、公平的高阶交换网络结构Graphein,Graphein结构利用TSV进行3D层间互连,层内则利用基于多写单读的光Crossbar进行高效数据传输,通过建立加速比分析模型,理论证明了Graphein结构在随机均衡流量下100%的吞吐率,从而满足了高性能计算系统互连网络结构对高阶交换芯片高吞吐性能的需求。2、基于资源预留机制的支持QoS的光互连网络仲裁策略(第四章)基于多优先级请求队列QOS服务的要求,提出了一种分级快速光互连网络通道仲裁机制。通过设置两级仲裁器,实现了网络资源的集中式仲裁;通过具有多优先级数据缓存队列的传输节点设计,实现了数据报文传输的最大延迟和节点的最小带宽保证。利用请求驱动的资源预约式两级仲裁机制,基于仲裁器与请求节点间的数据交换,实现了网络仲裁的完全公平,同时令网络的理论吞吐率达到100%;对设计的快速仲裁通道进行了合理布局,极大的缩短了仲裁延迟。上述创新,使得本文所设计的仲裁策略在为不同类型流量提供QoS保证的同时,在公平性、仲裁延迟、硬件开销等方面均比以往工作取得了明显优势。3、基于高密度存储器的可扩展光高阶交换芯片(第五章)基于交换结构输入输出端口隔离的思想,利用高密度、高读写字宽的新型存储器,构建了一种以高密度存储器为核心的多端口光交换裸片,并基于2.5D芯片集成技术,从交换网络的层次化设计思路出发,改进了上述多端口的单裸片交换结构,通过在裸片上添加片间输入输出代理模块,为裸片设计了片间数据互连交换接口,从而构建了基于多个裸片互连的可扩展高阶光交换芯片,同时还实现了裸片上的存储器控制逻辑和片间输入输出代理的物理结构,展示了数据报文在上述多裸片高阶交换结构中的传输过程,讨论了上述结构在构建未来高阶交换芯片时的可扩展性特点。最后基于光网络模拟器,分析了基于裸片结构的高阶交换芯片在延迟、吞吐率、硬件开销、功耗等方面的优势。4、面向Graphein硅光网络结构的功耗和可靠性分析模型(第六章)根据硅光器件的制造偏差和温度偏离特性,依次建立了从硅光器件到Graphein结构的硅光网络功耗分析模型,提出了一种利用额外通道和冗余微环,分别减少温敏控制功耗与制造调制功耗的方法。比较了两种冗余微环布局方法,分析了上述策略对光高阶交换网络温敏功耗与制造调制功耗的优化效果。为评价上述功耗优化策略对硅光网络信噪比的影响,进一步建立了网络的信噪比分析模型,分析了上述方法对网络信噪比的影响。总结了影响信噪比的网络参数,为进一步扩展光高阶交换结构提供了参考。