一种片上光互连自适应控制方法和系统

1.本发明属于光器件技术领域，具体涉及一种片上光互连自适应控制方法和系统。


背景技术：

2.随着多核系统的发展，传统的片上电互连已经遇到严重的性能瓶颈。片上光互连的出现，为多核系统的片上通信提供了一种有前途的解决方案，可提供高带宽和低延迟。典型的片上光互连框架使用多种片上光器件，如激光源、微环谐振器(micoring resonator,mr)、波导和光电探测器(photodetector,pd)等。
3.片上的温度漂移和制程漂移是实现高可靠片上光互连的主要挑战。一些片上光器件对温度漂移和制程漂移高度敏感，这会导致片上光器件的工作波长漂移，从而导致在接收端较高的误码率(bit error ratio,ber)，造成可靠性较低的问题。为了克服这种影响，需要采用一些操作进行补偿，确保接收端满足片上通信的可靠性要求。
4.现有的一些补偿方式主要实现对于片上光器件(例如mr)的工作波长进行控制(电控制或者热控制)，以稳定片上光器件的波长。现有技术主要存在以下不足：对mr进行控制，当mr较多时会增加控制复杂度和功率消耗；对于接收功率的测量需要占用mr的直通端口或者下载端口，还需要pd和高速的跨阻放大器(trans-impedance amplifier,tia)，存在硬件限制和较大面积开销；温度的测量反馈采样速率复杂，受运行应用程序的影响；热控制补偿温度变化存在相当大的延迟。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种片上光互连自适应控制方法和系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种片上光互连自适应控制方法，应用于片上光器件，包括：
7.采集片上光器件的反馈信号；
8.对所述反馈信号进行判断，根据判断结果产生控制信号；
9.根据所述控制信号对发送端的激光源功率和/或接收端的灵敏度进行控制。
10.在本发明的一个实施例中，所述反馈信号为所述接收端的ber。
11.在本发明的一个实施例中，对所述反馈信号进行判断，根据所述判断结果产生控制信号，包括：
12.将所述ber与预设阈值进行比较，根据比较结果产生控制信号，所述预设阈值包括第一预设阈值和第二预设阈值，所述第二预设阈值为0，小于所述第一预设阈值。
13.在本发明的一个实施例中，将所述ber与预设阈值进行比较，根据比较结果产生控制信号，包括：
14.若所述ber超过所述第一预设阈值，产生第一控制信号；
15.相应地，根据所述控制信号对发送端的激光源功率和/或接收端的灵敏度进行控制，包括，
16.根据所述第一控制信号提高所述发送端的激光源功率和/或提高所述接收端的灵敏度。
17.在本发明的一个实施例中，对所述反馈信号进行判断，根据所述判断结果产生控制信号，还包括：
18.若所述ber为所述第二预设阈值，产生第二控制信号；
19.相应地，根据所述控制信号对发送端的激光源功率和/或接收端的灵敏度进行控制，包括，
20.根据所述第二控制信号，降低所述发送端的激光源功率和/或降低所述接收端的灵敏度。
21.在本发明的一个实施例中，根据所述第一控制信号提高所述发送端的激光源功率和/或提高所述接收端的灵敏度，包括：根据所述第一控制信号提高发送端的激光源驱动电流和/或提高接收端的tia输入电压；
22.根据所述第二控制信号，降低所述发送端的激光源功率和/或降低所述接收端的灵敏度，包括：根据所述第二控制信号降低发送端的激光源驱动电流和/或降低接收端的tia输入电压。
23.本发明提供了一种片上光互连自适应控制系统，包括：
24.ber探测电路，用于采集片上光器件的反馈信号；
25.控制器模块，用于对所述反馈信号进行判断，根据判断结果产生控制信号；
26.调控模块，用于根据所述控制信号对发送端的激光源功率和/或接收端的灵敏度进行控制。
27.在本发明的一个实施例中，所述ber探测电路为可调整偏移电路，所述可调整偏移电路包括数据比较器、偏移采样链路、异或门和计数器，其中，
28.所述数据比较器的正相输入端和反相输入端与接收端的tia的正相输出端和反相输出端对应连接；
29.所述偏移采样链路为可编程阈值比较器，所述可编程阈值比较器的正相输入端和反相输入端与所述tia的正相输出端和反相输出端对应连接；
30.所述数据比较器的输出端连接所述异或门的第一输入端，所述可编程阈值比较器的输出端连接所述异或门的第二输入端，所述异或门的输出端连接所述计数器，所述计数器输出所述接收端的ber；
31.其中，所述可编程阈值比较器，用于在输入的电信号增加预设电压偏移量后对输入的电信号进行逻辑区分，或者用于在增加预设采样时间偏移量后对输入的电信号进行逻辑区分。
32.在本发明的一个实施例中，所述控制器模块，包括比较单元和控制信号产生单元，其中，
33.所述比较单元，用于将所述ber与预设阈值进行比较，其中，所述预设阈值包括第一预设阈值和第二预设阈值，所述第二预设阈值为0，小于所述第一预设阈值；
34.所述控制信号产生单元，用于根据比较结果产生控制信号，其中，若所述ber超过所述第一预设阈值，产生第一控制信号；若所述ber为所述第二预设阈值，产生第二控制信号。
predictive control,mpc)等，控制逻辑用于实现根据反馈信号产生控制信号；控制技术可以对片上光器件进行控制，主要有热控制和电控制等技术，与热控制技术相比，电控制速度快且节能，优先采用电控制技术。
54.根据上述片上光互连自适应控制方法的设计框架，确定对激光源和接收器进行自适应控制，将接收端的ber作为反馈信号，控制技术采用节能的电控制技术。
55.具体将上述自适应控制框架应用于通信链路中，形成本实施例的片上光互连自适应控制方法，请结合参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种片上光互连自适应控制方法的流程图；图3是本发明实施例提供的一种激光源和接收器的自适应控制的框架图。如图所示，本实施例的片上光互连自适应控制方法，应用于片上光器件，包括：
56.步骤1：采集片上光器件的反馈信号；
57.步骤2：对反馈信号进行判断，根据判断结果产生控制信号；
58.步骤3：根据控制信号对发送端的激光源功率和/或接收端的灵敏度进行控制。
59.在本实施例中，反馈信号为接收端的ber。接收端的ber是衡量数据传输精确性的指标，可以反映通信质量，不需要高速测量，可以在较低的频率运行，以便节省更多的能量，并且精度较高，面积较低。
60.具体地，步骤2包括：将ber与预设阈值进行比较，根据比较结果产生控制信号，预设阈值包括第一预设阈值和第二预设阈值，第二预设阈值为0，小于第一预设阈值。
61.在本实施例中，若ber超过第一预设阈值，产生第一控制信号；相应地，步骤3包括，根据第一控制信号提高发送端的激光源功率和/或提高接收端的灵敏度。
62.具体地，根据第一控制信号提高发送端的激光源功率和/或提高接收端的灵敏度，包括：根据第一控制信号提高发送端的激光源驱动电流和/或提高接收端的tia(trans-impedance amplifier,跨阻放大器)输入电压。
63.在本实施例中，若ber为第二预设阈值，产生第二控制信号；相应地，步骤3包括，根据第二控制信号，降低发送端的激光源功率和/或降低接收端的灵敏度。
64.具体地，根据第二控制信号，降低发送端的激光源功率和/或降低接收端的灵敏度，包括：根据第二控制信号降低发送端的激光源驱动电流和/或降低接收端的tia输入电压。
65.在本实施例中，若ber位于第一预设阈值与第二预设阈值之间，则不产生控制信号。相应地，对发送端的激光源功率和接收端的灵敏度不进行控制。
66.需要说明的是，一般地，对于信号接收的ber的要求是不超过10-12
，在本实施例中，可以根据该ber要求对第一预设阈值进行设置。
67.进一步地，对本实施例的发送端激光源以及接收端接收器的控制原理进行具体说明。
68.在片上光互连中，为了在接收端正确地将光信号转化成电信号，接收到的光信号需要具有高于接收器灵敏度的最小功率。对于每个通信对在单波长通信的情况下，发送端所需的激光源功率应满足下式：
69.p
laser
≥s+il
s,d
ꢀꢀꢀ
(1)；
70.式中，p
laser
为发送端的激光源功率，s为接收端的灵敏度，il
s,d
为当前通信对(s-》d)通信时的功率损耗。从公式(1)中可以看出，对于每个通信对在通信路径不变(即il
s,d
不
变)的情况下，为克服温度漂移和制程漂移的影响，可以针对发送端的激光源进行控制以改变p
laser
，或者对接收端的接收器进行控制以改变接收端的灵敏度s。
71.采用电控制技术对激光源和接收器进行控制时，需要确定其与电流或电压的关系，如图4和图5所示的激光源输出功率与电流的关系图以及接收器灵敏度与tia输入电压的关系图，在激光源中，输出功率p
laser
可以由其驱动电流进行控制，p
laser
随着驱动电流的增加而上升。在接收器中，接收端的灵敏度s可以通过tia输入电压进行控制，接收端的灵敏度s所限定的最小光功率随着tia电压的增加而下降。因此，在本实施例中，激光源使用电流控制，接收器使用电压控制。
72.本发明的片上光互连自适应控制方法，可以快速、稳定地进行自适应控制、使片上通信满足可靠性需求，与现有的自适应控制方法相比，本发明的片上光互连自适应控制方法可以在保证片上通信的可靠性的前提下，降低所需功耗。
73.进一步地，本实施例还提供了一种片上光互连自适应控制系统，用于实现上述片上光互连自适应控制方法，该片上光互连自适应控制系统包括ber探测电路、控制器模块和调控模块。具体地，ber探测电路用于采集片上光器件的反馈信号；控制器模块用于对反馈信号进行判断，根据判断结果产生控制信号；调控模块用于根据控制信号对发送端的激光源功率和/或接收端的灵敏度进行控制。
74.请结合参见图6所示的ber探测电路的电路原理示意图，在本实施例中，ber探测电路采用可调整偏移电路对ber进行测量，可调整偏移包括电压偏移(图6中(a)图)和采样时间偏移(图6中(b)图)，两种偏移方法均是在原有数据比较器的基础上引入一个额外的可编程阈值比较器，用作眼图监视器。
75.具体地，可调整偏移电路包括数据比较器、偏移采样链路、异或门和计数器。其中，数据比较器的正相输入端和反相输入端与接收端的tia的正相输出端和反相输出端对应连接；偏移采样链路为可编程阈值比较器，可编程阈值比较器的正相输入端和反相输入端与tia的正相输出端和反相输出端对应连接；数据比较器的输出端连接异或门的第一输入端，可编程阈值比较器的输出端连接异或门的第二输入端，异或门的输出端连接计数器，计数器输出接收端的ber。
76.其中，可编程阈值比较器，用于在输入的电信号增加预设电压偏移量后对输入的电信号进行逻辑区分，或者用于在增加预设采样时间偏移量后对输入的电信号进行逻辑区分。
77.进一步地，对本实施例的ber探测电路的原理进行具体说明。眼图包含丰富的信息，其张开的大小与ber密切相关，眼图的最佳判决时刻是其张开最大的时刻，最佳判决点是眼图的中心，这里ber最小。数据比较器的判决点为最佳判决点，当ber的标准较低时，实际测量需要很长的时间。
78.对于(a)图的电压偏移方法，在光链路中，接收端捕获的光信号经pd转化成电信号，转化后的电信号由tia进行放大，放大后的电信号经并联的上下两路分别处理。在下路中，电信号馈送到数据比较器被区分为逻辑“1”或逻辑“0”以进行输出；在上路中，将电信号增加一个预设电压偏移量，馈送到眼图监视器中进行逻辑区分。将眼图监视器的输出和数据比较器的输出进行异或比较，使用一个计数器对错误进行记录，统计输出ber。通过在原有的电信号中增加一个预设电压偏移量，使得眼图监视器的判决点在眼图的垂直方向上移
动，监测眼图的其它部分，对误差更大的数据进行采样。如果异或比较输出为0，表明没有发生错误，眼图监视器的判决点和数据比较器的最佳判决点位于同一睁眼区域，如果异或比较输出为1，表明发生错误，两个判决点不在同一睁眼区域，此时眼图监视器监测到眼图的闭合。
79.对于(b)图的采样时间偏移方法，其处理原理与(a)相同，放大后的电信号经并联的上下两路分别处理。在下路中，数据比较器对其进行逻辑区分；在上路中，眼图监视器增加一个预设采样时间偏移量对其进行逻辑区分。上下两路的输出进行异或比较，并将发生错误的次数用计数器记录下来，统计输出ber。采样时间偏移量使得眼图监视器判决点在眼图的水平方向上移动，监测眼图的其它部分，对误差更大的数据采样。
80.需要说明的是，眼图监视器输出和数据比较器输出的异或比较测量的不是真ber的度量，而是一种伪ber，伪ber可以作为真ber的等价度量，可以更快地监测到眼图的闭合，其硬件代价低，收敛时间快。
81.进一步地，控制器模块包括比较单元和控制信号产生单元，其中，比较单元用于将ber与预设阈值进行比较，在本实施例中，预设阈值包括第一预设阈值和第二预设阈值，第二预设阈值为0，小于第一预设阈值。
82.控制信号产生单元用于根据比较结果产生控制信号，其中，若ber超过第一预设阈值，产生第一控制信号；若ber为第二预设阈值，产生第二控制信号。
83.相应地，调控模块用于根据第一控制信号提高发送端的激光源功率和/或提高接收端的灵敏度；以及用于根据第二控制信号，降低发送端的激光源功率和/或降低接收端的灵敏度。
84.请结合参见图7和图8对自适应控制激光源和接收器的流程进行具体说明。具体地，对激光源的自适应控制流程如图7所示，其中，图7所示的电路对于激光源是通用的，激光源可以是片上激光源或片外激光源，在本实施例中，以片外激光源为例进行说明，将ber探测电路置于片上光互连的接收端采集反馈信号。发送端的数据随着光信号通过波导传输，在接收端经过滤波和光电检测转化成电信号，经tia放大后进入ber探测电路，采集得到反馈信号(即测量得到的接收端ber信息)，将测量的ber信息反馈至控制器模块，控制器模块产生控制信号，调控模块根据该控制信号调整数模转换器dac产生电流信号，对激光源的驱动电流进行控制，以控制发送端的激光源功率。
85.接收器的自适应控制流程如图8所示，ber探测电路在接收端测量ber，将所测量的ber信息反馈至控制器模块，控制器模块产生控制信号，调控模块根据该控制信号调整dac产生电压信号，控制ldo(低压差线性稳压器)的输出电压，即tia的输入电压，达到控制接收端灵敏度的目的。
86.进一步地，对本实施例控制器模块的控制逻辑进行说明，在本实施例中，可采用传统的fsm和可以预测的mpc实现控制器模块的设计。控制器模块的原则为：对于一个通信对，在ber探测电路中当总比特数达到一定数量后，若接收端的ber超过第一预设阈值，则产生第一控制信号，以使得调控模块提高电流或电压。若没有观察到错误(接收端的ber为第二预设阈值)，则产生第二控制信号，以使得调控模块降低电流或电压。若ber位于第一预设阈值与第二预设阈值之间，则会保持当前电流或电压。其中，对激光源的控制，电流降低为0时激光源关闭。
87.具体地，fsm是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。一个有限状态机包含以下几部分：描述系统不同状态的有限状态集、表示系统接收不同输入的输入集、表示系统在接收不同输入时从一个状态转移到另一个状态的转移规则集。fsm具有快且节能的特点，其可以用一个五元组表示：
88.m＝(q,σ,f,q0,z)(2)；
89.其中，q＝{q0,q1,
…
,qn}是有限状态集；σ是有限输入集；q0是q中的初始状态；f是状态转换函数，表示为：q
×
σ
→
q，f(q0,a)＝q1表示当前状态为q0且输入为a时，转换到q1状态；z是终止状态，
90.如图9所示的fsm控制逻辑对激光源驱动电流和tia输入电压控制的示意图，其中(a)图为fsm控制逻辑控制激光源的驱动电流，(b)图为fsm控制逻辑控制tia的输入电压。激光源驱动电流的控制有五个状态：比较、提高、降低、保持和关闭。每次测量到ber进行判别，ber位于预设阈值之间时保持电流，ber超过第一预设阈值时提高电流，ber为第二预设阈值(没有错误)时降低电流，电流提高、降低完成后进行保持，电流降低到0时进行关闭控制。tia输入电压的控制有四个状态，其控制过程与激光源驱动电流的控制类似，在此不再赘述。
91.mpc是一种基于预测的反馈控制逻辑，其鲁棒性好、有良好的动态性能。它的原理是对未来的输出进行预测，有三个基本要素：预测模型、滚动优化和反馈校正。其中，1)预测模型：是以被控对象的历史信息和当前状态预测未来输出；2)滚动优化：是在每一个采样时刻，对预测结果进行最优求解，将最优解的第一个元素作用于系统，使系统在每一个采样时刻都能得到这一时刻的最优解，是与传统最优控制逻辑的根本区别；3)反馈校正：由于实际系统存在时变、滞后、扰动等因素，使预测模型无法理想精确地描述系统的动态特性，因此在每一采样时刻根据实际测量值对预测模型进行反馈校正，将一个开环优化变为闭环优化。
92.mpc对激光源或接收器的控制示意图如图10所示，其中，被控对象为激光源驱动电流或者tia输入电压。根据设置的理想ber参考点和当前检测到的ber对激光源驱动电流或者tia输入电压进行控制信号预测。最优求解对预测的控制信号进行评估，求得最优控制信号，根据最优控制信号对被控对象进行控制，然后将ber的输出进行反馈校正，继续求解控制，使ber满足要求。
93.需要说明的是，在本实施例的片上光互连自适应控制系统应用之前，需要对片上光器件的激光源驱动电流或者tia输入电压进行初始值设置。对于每对片上通信来说，初始激光源驱动电流(或者初始tia输入电压)过大或过小都不好，这样会使得调控模块不断进行降低或者提高的控制操作，会消耗更多功率。
94.因此，可以通过测试将每个通信对合理的初始电流(或初始电压)存储在一个查找表中，在运行时根据自适应控制目标从查找表中查找相应的激光源驱动电流(或者tia输入电压)进行配置，避免每次过多的控制，节省功率。
95.如图11所示的初始值检测存储流程图，通过测试将每一个通信对的合理初始值(激光源驱动电流或者tia输入电压)进行存储，其中，(a)图为激光源驱动电流的初始设置，(b)图为tia输入电压的初始设置。对于激光源驱动电流的检测，首先对当前通信对设置相对较低的电流值，通过ber探测电路进行ber测量，将结果与设定的第一预设阈值对比，大于
第一预设阈值则提高电流，继续测量对比，直到ber刚好满足，将当前通信对对应的电流值存储起来；对于tia输入电压的检测同理。如此，初始化的激光源驱动电流或者tia输入电压值基本可以满足通信要求，克服了制程漂移的影响。当片上通信过程中由于温度漂移对片上光器件带来影响时，可以使用自适应控制方法进行控制补偿。
96.进一步地，对本实施例的片上光互连自适应控制系统的面积、时间和功率消耗进行说明，对于硬件的面积开销，本实施例的片上光互连自适应控制系统主要是在ber探测电路中引入了一个额外的比较器和一个计数器。对于65nm的cmos技术来说，这需要30um*30um的面积开销；时间开销主要在ber的测量中，真ber测量往往需要很长时间，使用伪ber测量可以在短时间内完成，假设目标ber为10-12
，对于10gbps的链路，仅需要1秒就可估计出接收端的ber；对于功耗开销，ber反馈采样率较低，功耗相对较低。因此，本实施例的片上光互连自适应控制系统的面积、时间和功耗开销是较低的。
97.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
98.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。