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当前,高性能计算机与高性能微处理器飞速发展,片上互连网络已经成为一个研究热点。片上互连网络负责实现片上处理器核之间的互连与通信,其体系结构对高性能微处理器的整体性能有重要影响。传统的电互连网络体系结构有着带宽低、延迟大、功耗高等局限性。光互连技术可以有效地避免高延迟、高功耗等问题,具有重要的研究意义。本文针对未来高性能微处理器的需求,提出了一种新型片上光互连网络拓扑结构CLNOC,并详细介绍了CLNOC网络拓扑结构基本单元的特征以及构建整个网络的扩展方式。在与FT片上光互连网络拓扑结构的对比中,CLNOC片上光互连网络拓扑具有更小的硬件开销,以及更小的光信号插入损耗。同时,我们设计了CLNOC片上光互连网络拓扑的光电混合体系结构,以完成报文交换功能。本文针对CLNOC片上光互连网络拓扑结构的特点,设计了一种能充分利用跨级链路、适用于CLNOC片上光互连网络拓扑结构的路由算法。我们通过OMNeT++平台和PhoenixSim模拟器对CLNOC片上光互连网络拓扑结构进行模拟分析,考察其在不同实验条件与流量模型下的性能参数。与现有的Mesh片上光互连网络拓扑结构进行对比,CLNOC片上光互连网络拓扑结构的性能有所提升。本文还提出了一种新型4 X 4光交换阵列,并分析了其路由过程。同时我们使用分簇式扩展方式对光交换阵列进行了结构扩展,以满足高性能微处理器的需求。之后,我们就硬件开销、光信号损耗两个方面对Crossbar光交换阵列及新型光交换阵列进行了对比分析。结果表明,新型光交换阵列硬件开销较少、光信号损耗较小,具有更加优秀的性能。最后,我们给出了CLNOC三维结构的初步设计方案。研究片上光互连体系结构,充分利用光互连网络的技术优势,设计高性能的拓扑结构、路由算法、交换方式等,能够提高网络带宽和链路的利用率,减小互连节点间的通信延迟,改善互连网络可靠性和可扩展性,大幅度提高片上互连的性能,进而极大提升高性能微处理器的整体性能。