故意偏斜的光學時鐘信號分發的制作方法

專利名稱：故意偏斜的光學時鐘信號分發的制作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及光學信號，并且更特別地涉及分發光學時鐘信號的方法和系 統。
背景技術：
在諸如計算機芯片之類的同步數字系統中，采用時鐘信號來提供用于在所述系統 內傳輸數據的參考時間。系統時鐘產生穩定高頻信號形式的電子時鐘信號，所述電子時鐘 信號使系統部件的操作同步。時鐘信號在明顯不同的(distinctive)高狀態和低狀態之間 振蕩。高狀態與低狀態之間的轉變產生上升和下降時鐘沿。時鐘循環是時鐘信號從上升時 鐘沿經過下降時鐘沿直到下一上升沿開始的單次完整遍歷。時鐘信號被分發到每個時鐘循環結束鎖存器并且被每個時鐘循環結束鎖存器使 用和需要，而且在同步系統中有其它用途。舉例來說，在理想情況下，按照電子方式在計算 機芯片上把時鐘信號分發到所有芯片部件，使得利用關于任何其它時鐘沿都最小程度地偏 斜(skew)或相移的時鐘沿來操作所有部件。因此，同步系統采用諸如H樹網絡之類的時鐘 分發網絡，這些時鐘分發網絡被設計成將來自系統時鐘的時鐘信號分發到使用該時鐘信號 的所有部件。由于部件參照時鐘沿來傳輸及處理數據信號，所以時鐘沿必須特別整齊且尖銳。 但是時鐘信號易于受到技術擴展的影響。舉例來說，相對長的全局互連線路的電阻會隨著 線路尺寸的減小而顯著變得更大。因此，時鐘信號可隨著用來分發時鐘信號的線路尺寸減 小而惡化，并且時鐘沿可變得較不分明(distinct)。時鐘分發網絡還占用所述同步系統所 消耗的總功率的大部分。為了應對時鐘信號在芯片上的全局分發，當前有兩種替換方案。應對上述問題的 一種方式是相隔比數據信號在一個時鐘循環內行進的距離更短的間隔把數據信號鎖存到 時鐘信號，使得數據信號總是與時鐘保持同時。可替換地，可以把數據信號與前向時鐘一起 發送，在每個目的地處通過把數據饋送經過異步先入先出(“FIFO”)設備來對所述前向時鐘 進行重定時，所述異步先入先出設備在一端由所述前向時鐘來定時并且在另一端由所述目 的地的時鐘來定時。但是這兩種解決方案都會增加傳輸等待時間，要求額外的功率并且使 用相對大的芯片表面積。工程師們已經認識到，需要有可以補償時鐘偏斜并且可以提供比當前可用的解決 方案更短的等待時間和更少的功率消耗的系統和方法。

發明內容
本發明的實施例涉及用于向源同步計算機系統的節點分發故意(intentionally) 偏斜的光學時鐘信號的系統和方法。在一個系統實施例中，源同步系統包括波導、光學耦合 到波導的光學系統時鐘以及光學耦合到波導的多個節點。所述光學系統時鐘生成主光學時 鐘信號并將所述主光學時鐘信號注入到波導中。所述主光學時鐘信號在節點之間傳遞時招
4致(acquire)偏斜。每個節點都提取出所述主光學時鐘信號的部分，并且利用主光學時鐘 信號的對于相應的提取節點具有不同偏斜的該部分來處理光學數據信號。在一個方法實施例中，在源同步計算機系統中利用經過偏斜的光學時鐘信號來處 理光學信號。所述方法包括生成主光學時鐘信號并且把所述主光學時鐘信號注入到波導 中。所述方法還包括在光學耦合到波導的每個節點處提取出所述主光學時鐘信號的部分， 主光學時鐘信號的該部分在每個節點處具有不同的偏斜；以及利用主光學時鐘信號的對于 相應的提取節點具有不同偏斜的所述部分來處理光學數據信號。


圖1示出了根據本發明的實施例配置的利用主光學時鐘信號的第一源同步系統 的示意性表示，所述主光學時鐘信號在所述系統的節點之間傳遞時招致偏斜。圖2A示出了光學時鐘信號的兩個時鐘循環的曲線圖。圖2B示出了根據本發明的實施例的(圖IA中所示的)源同步系統的光學時鐘信號 和光學信號的時序圖。圖3A示出了根據本發明的實施例配置的第二源同步系統的示意性表示。圖:3B示出了光學時鐘信號在經過(圖3A中所示的)源同步系統的每個節點時的實 例時序圖。圖4A示出了根據本發明的實施例配置的第三源同步系統的示意性表示。圖4B示出了光學時鐘信號在經過根據本發明的實施例的(圖4A中所示的)源同步 系統的每個節點時的實例時序圖。圖5A示出了根據本發明的實施例配置的第四源同步系統的示意性表示。圖5B示出了根據本發明的實施例的(圖5A中所示的)源同步系統的重定時器的示 意性表示。圖6A示出了根據本發明的實施例配置的第一重定時器的示意性表示。圖6B示出了存儲在根據本發明的實施例的FIFO存儲系統的隊列中的數據的示意 性表示。圖7示出了根據本發明的實施例的輸入到(圖6中所示的)電光轉換器以產生光學 時鐘信號的電子時鐘信號和光的曲線圖。圖8示出了根據本發明的實施例配置的第二重定時器的示意性表示。圖9A示出了信息在根據本發明的實施例的(圖5A中所示的)源同步系統的波導上 的第一實例傳輸。圖9B示出了在根據本發明的實施例的(圖9A中所示的)源同步系統的節點之間行 進的光學時鐘信號和光學信號的時序圖。圖IOA示出了信息在根據本發明的實施例的(圖5A中所示的)源同步系統的波導 上的第二實例傳輸。圖IOB示出了在根據本發明的實施例的(圖IOA中所示的)源同步系統的節點之間 行進的光學時鐘信號和光學信號的時序圖。圖IlA示出了根據本發明的實施例的一種用于在源同步計算機系統中利用經過 偏斜的光學時鐘信號來處理光學信號的方法的控制流程圖。
圖IlB示出了根據本發明的實施例的一種用于對源同步系統的光學信號進行重 定時的方法的控制流程圖。
具體實施例方式本發明的實施例涉及用于向源同步計算機系統的節點分發經過故意偏斜的光學 時鐘信號的系統和方法。為了簡明起見，下面參照光學耦合到波導的四個節點來描述系統 和方法實施例。但是本發明的實施例并不意圖被如此限制。本領域技術人員將立即認識到， 這些系統和方法可以很容易被擴展成在包括多個節點的系統內提供光學時鐘信號分發。I.分發經過故意偏斜的光學時鐘信號
圖1示出了根據本發明的實施例配置的源同步計算機系統100的示意性表示。系統 100包括波導102和通過轉換器104 - 107光學耦合到波導102的被標記為A — D的四個 節點。所述節點可以是處理器、存儲控制器、服務器、多核處理單元集群、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意組合。系統100可以被實施在諸如多 核芯片之類的單個芯片上，或者這些節點可以是同步網絡的分開的部件。所述波導可以是 被實施在單個基板上的光纖或脊形波導。在圖1中所圖示的實例中，波導段109和110的 長度近似相等，并且波導段111的長度是段109和110的三倍。在圖1中，沿著波導102的 節點之間的距離是為了便于描述本發明的實施例而選擇的。在實踐中，節點之間的距離可 以不受限制地改變。節點A包括生成主光學時鐘信號的光學系統時鐘112，通過在有向箭頭114所代表 的方向上把所述光學時鐘信號注入到波導102中而將所述主光學時鐘信號廣播到節點B -D。圖2A示出了光學時鐘信號的兩個時鐘循環的曲線圖。水平軸202代表時間，垂直軸204 代表幅度，并且方波206代表光學時鐘信號的兩個時鐘循環。光學時鐘信號206在明顯不 同的高幅度和低幅度之間振蕩，并且具有方波脈沖串的形式。高幅度與低幅度之間的轉變 對應于分明的上升時鐘沿208和下降時鐘沿210。一個完整的時鐘循環是所述光學時鐘信 號從上升時鐘沿208經過下降時鐘沿210直到后繼時鐘循環的下一上升時鐘沿開始的完整 遍歷。時鐘循環的周期是完成一個時鐘循環所需的時間。可以在方向114上在波導102上同時傳輸由節點生成的光學信號和所述光學時鐘 信號。轉換器104 — 107中的每個都包括光電(“0E”)轉換器(未示出)，該光電(“0E”)轉 換器提取出經過每個節點的光學時鐘信號的部分、提取出指定用于特定節點的光學信號、 把所述光學時鐘信號轉換成可以由每個節點用來使每個節點的內部操作同步的電子時鐘 信號并且把所述光學信號轉換成可以由節點A — D處理的電子信號。轉換器104 — 107還 可以包括電光(“E0”)轉換器(未示出)。EO轉換器把編碼在由節點A — D生成的電子信號 中的信息轉換成光學信號，其中所述光學信號被注入到波導102中，使得節點A — D還可以 使用波導102來向彼此傳送信息。在其它實施例中，可以采用與波導102遵循基本上相同 路徑的分開的波導來僅僅傳送光學信號，同時在波導102上傳送光學時鐘信號。在其它實 施例中，所述光學時鐘信號可以包括多個波長，其中每個波長都被分配給特定節點。舉例來 說，系統100所利用的光學時鐘信號可以包括四個不同波長，并且轉換器104 - 107中的每 個都可以被配置來從波導102中提取出所述四個波長的其中一個。考慮光學信號在波導102上從節點A到節點D的實例傳輸。圖2B示出了根據本發明的實施例的光學時鐘信號206和由節點A生成的攜帶數據的光學信號212的時序圖。 時鐘循環214的上升時鐘沿208由點線段表示，并且被用作標識出光學時鐘信號206在節 點之間傳遞時所招致的相移或偏斜的參考點。有向箭頭216 - 218對應于節點A — D之間 的段109、111和110。假設上升時鐘沿208需要花費1/8個時鐘循環來行進段109的長度， 所述時序圖表明時鐘沿208在每個節點處招致與光學時鐘信號206相同的偏斜。具體來 說，光學時鐘信號206和光學信號212在從節點A行進到節點B時分別招致1/8個時鐘循 環的偏斜220和222，在從節點B行進到節點C時分別招致3/8個時鐘循環的偏斜2M和 226，并且在從節點C行進到節點D時分別招致1/8個時鐘循環的偏斜2 和230。所述光學時鐘信號充當主時鐘信號。每個節點在所述光學時鐘信號經過時提取出 所述光學時鐘信號的部分，并且生成低偏斜的本地(local)電子時鐘信號以供內部使用。每 個節點的內部電子時鐘和邏輯操作與主光學時鐘信號的所提取出的時鐘循環的上升沿和/ 或下降沿獨立同步。結果，節點的內部操作相對于彼此被偏斜了由在波導102上行進的光 學時鐘信號所招致的偏斜量。舉例來說，節點C的邏輯操作獨立于節點B的邏輯操作而發 生，并且如圖2B中所示的那樣，因為時鐘循環在到達節點B之后的3/8個時鐘循環才到達 節點C，所以節點C的電子時鐘被設置在節點B之后的近似3/8個時鐘循環并且邏輯操作也 在此時發生。當節點需要向另一節點發送光學信號時，發送節點可以利用其自身的時鐘跨 越波導102傳送光學信號，或者在其它實施例中，可以使用遵循與波導102相同的路徑的第 二波導來載送光學信號并且具有等效延遲。由于光學信號的路徑長度與光學時鐘信號的路 徑長度基本上相同，所以光學信號被偏斜了與光學時鐘信號相同的量，并且接收節點可以 在無需重定時的情況下接收光學信號和光學時鐘信號。II.出現在閉環波導中的異步
雖然系統100的節點可以獨立于光學時鐘信號操作，但是節點僅向位于光學信號在波 導102上行進的方向114的下游的其它節點傳送信息，并且節點只能從位于光學信號在波 導102上行進的方向114的上游的節點接收光學信號。舉例來說，節點A可以向節點C - D 發送光學信號，但是節點C-D不能向節點A發送光學信號。這一點可以通過把波導重新 配置成環路形式來校正，使得每個節點都可以與波導上的另一節點進行通信。下面的例子 圖解說明了閉環，但是其中每個節點都可以與另一節點進行通信的其它環路配置也是合適 的。圖3A示出了根據本發明的實施例配置的源同步系統300的示意性表示。系統300 包括閉環波導302以及通過轉換器104 - 107光學耦合到波導302的節點A — D。在這種 情況下，波導段304 - 306的長度是波導302的總長度的近似1/6，而波導段307的長度是 波導段304 - 306的三倍，并且是波導302的總長度的近似1/2。在順時針方向308上傳送 光學時鐘信號和光學信號。圍繞波導302的節點之間的距離是為了便于描述本發明的實施 例而選擇的。在實踐中，節點之間的距離可以不受限制地改變。但是，任意長度的閉環波導 都可如下所述在節點處引入多個時序問題。圖;3B示出了光學時鐘信號206在經過沿著波導302的節點A — D中的每個節點 的實例時序圖。有向箭頭309 - 312對應于光學時鐘信號206圍繞波導302從節點A開始 最終返回到節點A所采取的路徑。所述時序圖表明時鐘沿208在1/8個時鐘循環內從節 點A行進到節點B，在3/8個時鐘循環內從節點B行進到節點C，在1/8個時鐘循環內從節點C行進到節點D，并且在1/8個時鐘循環內從節點D回到節點A。所述時序圖還表明時 鐘沿208完成圍繞波導302的一趟所花費的總時間是3/4個完整時鐘循環，并且后繼時鐘 循環316的時鐘沿314在時鐘沿208返回到節點A之后的1/4個時鐘循環處到達節點A。 當在前時鐘循環正好在新時鐘循環到達節點之后到達節點時，出現第二類同步問題。在任一種情況下，節點A — D都不能與每個時鐘循環的到達鎖步運轉，因為在節點 從波導中提取第一時鐘循環時，該同一節點可在完成對第一時鐘循環的提取之前就開始提 取仍然在波導302上行進的第二異相時鐘循環。因為每個節點的觸發器操作和鎖存器開合 與每個時鐘循環的上升沿和/或下降沿的到達有關，所以每個節點的邏輯操作與主光學時 鐘信號的相對應的偏斜不同步。結果，在波導302上(或者在分開的波導中)傳送的光學信 號并不是由節點根據經過所述節點的主光學時鐘信號來處理的。III.配置波導的長度
在理想情況下，可以通過如下把波導的長度配置成時鐘循環周期的整數倍來應對同步 問題
權利要求
1.一種源同步系統，其包括 波導；光學耦合到波導的光學系統時鐘，所述光學系統時鐘生成主光學時鐘信號并將所述主 光學時鐘信號注入到所述波導中；以及光學耦合到波導的多個節點，所述主光學時鐘信號在節點之間傳遞時招致偏斜，并且 每個節點都提取出所述主光學時鐘信號的部分，而且利用主光學時鐘信號的針對相應的提 取節點具有相應偏斜的所提取的部分來處理光學信號。
2.權利要求1的系統，其中，所述波導的長度被配置成所述時鐘循環的周期的整數倍。
3.權利要求2的系統，其中，所述波導還包括長度基本上等于下式的環路配置其中，L是波導長度，m是整數，c是光在自由空間中的速度，η是波導的折射率，而Tm 是完成所述光學時鐘信號的一個時鐘循環所需的周期或時間。
4.權利要求1的系統，其中，每個節點利用主光學時鐘信號的針對相應的提取節點具 有相應偏斜的所提取的部分來處理光學信號還包括所述相應的提取節點生成與主光學時 鐘信號的經過偏斜的所提取的部分同步的本地電子時鐘，并且節點利用本地生成的時鐘讀 取在光學數據信號上接收到的數據并且把數據傳送到光學數據系統上。
5.權利要求1的系統，其還包括以與所述主光學時鐘信號相同的偏斜在節點之間發 送光學信號。
6.權利要求1的系統，其還包括布置在所述波導的兩端之間以用于對光學信號進行 重定時的重定時器，其中，所述重定時器確定返回到所述重定時器的光學時鐘信號的時鐘 循環與所述重定時器的電子系統時鐘所生成的電子時鐘信號的時鐘循環之間的相位差，并 且所述重定時器利用所述相位差來確定對光學信號進行重定時所需的時間延遲，使得光學 信號具有與所述主光學時鐘信號相同的偏斜地經過每個節點。
7.權利要求6的系統，其中，所述重定時器還包括光電轉換器，所述光電轉換器被配置來把光學時鐘信號轉換成電子時鐘信號，并且把 節點所生成的光學信號轉換成電子信號；被配置來延遲電子時鐘信號和電子信號的異步設備；以及電耦合到所述異步設備的電光轉換器，并且所述電光轉換器被配置來把電子時鐘信號 轉換成光學時鐘信號以及把電子信號轉換成光學信號。
8.權利要求7的系統，其中，所述異步設備還包括下列裝置之一用于延遲電子信號的延遲鎖定環；被配置來通過以先入先出方式存儲和取還電子信號來對所述電子信號進行時間延遲 的存儲器；以及電子可調諧晶體，所述電子可調諧晶體由具有如下折射率的材料構成所述折射率能 根據延遲光學信號的所施加的電壓的適當數量而發生改變。
9.權利要求1的系統，其還包括與波導具有基本上相同的路徑并且光學耦合到每個節點的第二波導，使得每個節點能利用所述主光學時鐘信號的每個節點提取出的部分來向 光學耦合到第二波導的其它節點傳送光學信號。
10.一種用于在源同步計算機系統中利用經過偏斜的光學時鐘信號來處理光學信號 的方法，所述方法包括生成主光學時鐘信號；把所述主光學時鐘信號注入到波導中；在光學耦合到波導的每個節點處提取出所述主光學時鐘信號的部分，所述主光學時鐘 信號的所述部分在每個節點處具有不同的偏斜；以及在提取節點處利用所述主光學時鐘信號的針對提取節點具有相應偏斜的所述部分來 處理光學信號。
11.權利要求10的方法，其中，利用所述主光學時鐘信號的針對相應的提取節點具有 不同偏斜的所述部分來處理光學信號還包括基于所述主光學時鐘信號的針對相應的提取節點具有相應偏斜的所提取的部分來讀 取所接收到的光學信號中的數據；以及基于所述主光學時鐘信號的針對相應的提取節點具有相應偏斜的所提取的部分通過 相應的提取節點把數據傳送到波導中的光學信號上，其中，所傳送的光學信號具有由所述 主光學時鐘信號的所提取的部分中的針對相應節點的相應偏斜所代表的等效時間延遲。
12.權利要求10的方法，其中，在提取節點處利用所述主光學時鐘信號的針對提取節 點具有相應偏斜的所述部分來處理光學信號還包括相應的提取節點生成與所述主光學時鐘信號的經過偏斜的所提取的部分同步的本地 電子時鐘；節點利用本地生成的時鐘讀取在光學數據信號上接收到的數據；以及相應的提取節點利用本地生成的電子時鐘把數據傳送到光學數據信號上。
13.權利要求10的方法，其還包括在沿著波導的單個點處對光學信號進行重定時， 使得每個節點以與所述主光學時鐘信號相同的偏斜接收經過重定時的光學信號。
14.權利要求13的方法，其中，對光學信號進行重定時還包括從波導中提取出光學信號；利用光電轉換器把光學信號轉換成電子信號；對電子信號進行時間延遲；以及利用電光轉換器把經過時間延遲的電子信號轉換成經過重定時的光學信號，所述經過 重定時的光學信號被注入到波導中。
15.權利要求14的方法，其中，對電子信號進行時間延遲還包括根據下式確定要延遲 光學信號的時間量Tdelay:其中，Tm是一個完整時鐘循環的周期，TMturn是一個時鐘循環完成圍繞波導的一趟并 返回到該時鐘循環被注入的點所花的時間，而η是滿足以下條件的整數
全文摘要
本發明的實施例涉及用于把故意偏斜的光學時鐘信號分發到源同步計算機系統的節點的系統和方法。在一個系統實施例中，源同步系統包括波導、光學耦合到波導的光學系統時鐘以及光學耦合到波導的多個節點。所述光學系統時鐘生成主光學時鐘信號并將所述主光學時鐘信號注入到波導中。所述主光學時鐘信號在經過節點之間時招致偏斜。每個節點都提取所述主光學時鐘信號的部分，并且利用主光學時鐘信號的對于相應的提取節點具有不同偏斜的所述部分來處理光學信號。
文檔編號G02B6/10GK102077493SQ200880130148
公開日2011年5月25日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者L. 賓克特 N., P. 朱皮 N., S. 施賴伯 R., 安廷鎬 申請人:惠普開發有限公司