可編程光電子集成線路中的路由的Mesh架構(gòu)及其性能

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
9 b/ z$ n) }& n, |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�上操縱光的方式。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。


  d. }4 n$ {0 N( O
Mesh架構(gòu)
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。
3 W8 I; Z+ Q( ~7 H9 C
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)
[/ol]


圖1展示了這四種架構(gòu)。
每種架構(gòu)都有其獨(dú)特的特征，影響路由性能：

) h; d$ f! @/ K2 d1. 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。
8 [$ ?( I8 _4 x+ M
/ u! T$ H2 N5 Y; J8 L1 `# e2. 方形tile（圖1b）：一種常見(jiàn)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。
" j% m( E3 R: A) {" I2 \+ w
3. 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)。

, ?- E3 {8 |; T3 f4 ^! N! ?" w4. 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)。
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# N4 x; V  G  k& C9 G
/ |2 R6 R) C8 z6 z+ n0 ?3 W  C光電子Mesh中的路由
PPICs中的路由涉及通過(guò)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。


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。
) S) l' x/ Z4 {0 E6 I
/ E  D; x% h9 @$ m+ x/ u比較Mesh架構(gòu)
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：

1. 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。
2 K: t% m8 ^* R
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。
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% |0 ?; ^+ k2 h# c2. 平均路徑長(zhǎng)度：這個(gè)指標(biāo)通過(guò)考慮信號(hào)必須通過(guò)的耦合器數(shù)量來(lái)衡量路由效率。

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。

+ ^* [9 S8 k$ ]  w' c/ B9 O/ v3. 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。

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。

  g2 [( o; W1 j  s5 R特定路由場(chǎng)景中的性能
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)。
' C2 A% ~2 Y2 A$ X, }" A
圖6
$ w) c! t# ]1 ^0 e7 G. s
圖6顯示了三種預(yù)定義的路由模式：
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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
( S# F0 ?' q2 ]; N2 p( M% t. T

3 X3 t: ]  z2 F/ g  L  g- d
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。
) P$ i6 O$ @' A! M' p) R5 f
損壞對(duì)Mesh性能的影響
/ b; z3 H$ \( c9 k在實(shí)際應(yīng)用中，PPICs可能會(huì)受到制造缺陷或運(yùn)行過(guò)程中的損壞。了解這些問(wèn)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。

" l. i" E) J( D+ B, `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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* F. s7 B0 x: W

. I  j$ t% `! f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。

這些故障對(duì)路由性能的影響差異很大：
( F3 k$ Y# ]5 P9 \% z3 b% _6 B% m
8 `5 b* ?4 P8 F8 _! `$ ^
圖9顯示了不同類型和程度的損壞如何影響路由能力。

1 y# g4 W- p( r7 B0 J9 \1 @7 D一些關(guān)鍵觀察：
: X5 ]  h! e" D# G

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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1 J! Y' U: D. M5 O' c* U4 ^
( n" _  c" F0 G8 v$ ~可靠性設(shè)計(jì)
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(guò)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。
! I2 m2 d, u5 a; N( z
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結(jié)論
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：
0 M: W/ w  ]. N7 i& X9 s

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。
& o) B8 Y: @4 h0 @: H
$ V- a2 w4 w5 c4 X* m+ {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(kāi)發(fā)高效可靠的光電子系統(tǒng)將非常重要。
( F4 N3 p7 ~- U. P
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! `5 X! f: y. U, B! J參考文獻(xiàn)
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