1. 片上光互连网络导论
当单芯片集成从几十个核心走向数百甚至上千个核心时，片内通信本身开始成为性能天花板。传统片上电互连网络（NoC）依靠金属线传输电信号，在长距离、高带宽、多播场景下会遇到三类硬约束：RC 延迟随线长平方增长、金属线功耗随频率与距离上升、布线资源与串扰限制带宽密度。片上光互连网络（Optical Network-on-Chip, ONoC）用波导传输光信号、用微环谐振器完成调制与滤波，把“传输”和“交换”解耦，从而在长距离上保持低损耗、低延迟，并借助波分复用（WDM）在单根波导上并行多路数据。
理解 ONoC 的关键，是把它看成一个光电混合系统：电域负责计算、缓存与短距控制，光域负责高带宽、长距离、可并行的数据搬运。光路本身不存储、不放大，因此必须由电控制信号配置微环的谐振状态，才能建立或拆除一条光通道。这也决定了 ONoC 的核心设计问题不是“如何造光”，而是“如何调度光”。
与电互连的对比：不是替代，而是分工
把两者放在同一组指标下比较，能更清楚地看到边界。下表为典型量级的示例性对比，用于建立直觉，具体数值随工艺、波长、调制方式和版图变化很大。
| 维度 | 片上电互连（NoC） | 片上光互连（ONoC） |
|---|---|---|
| 长距延迟 | 随线长平方增长，毫米级明显 | 波导中约 5–7 ps/mm，近似线性 |
| 带宽密度 | 受串扰与布线层数限制 | WDM 可在一根波导叠加数十波长 |
| 能耗 | 长线驱动与中继器开销大 | 传输本身低损耗，但调制/探测/调谐有静态功耗 |
| 交换方式 | 分组交换、缓冲灵活 | 多为电路交换，需先建光路 |
| 多播/广播 | 需多跳复制，代价高 | 波导分束天然支持一对多 |
| 面积与工艺 | CMOS 成熟，布线层紧张 | 需光电协同工艺，激光源与热调谐是难点 |
结论是：短距、控制、突发小包仍适合电互连；长距、大块数据、多播与高聚合带宽场景才是光互连的收益区。ONoC 的竞争力来自“在正确的位置用光”，而非全盘替换。
核心性能指标：怎么衡量一条光路好不好
评价 ONoC 通常围绕以下指标展开，它们彼此耦合，不能单独优化：
- 插入损耗：从调制器到探测器的总光功率衰减，含波导传播、分束、微环穿越与耦合损耗，单位 dB。损耗预算决定是否需要光放大或更严格的激光功率。
- 消光比：逻辑 1 与 0 的光功率比，影响接收端判决裕度。
- 串扰：相邻波长或相邻波导泄漏到目标通道的功率比例，WDM 通道数越多越敏感。
- 带宽与聚合吞吐：单波长速率 × 波长数 × 波导数，需扣除建路与调谐开销。
- 端到端延迟：含电光转换、传播、微环调谐与仲裁时间，调谐往往是大头。
- 能耗/比特：调制、探测、热调谐、激光源分摊之和，是能否落地的关键。
- 误码率（BER）：通常要求低于 1e-12，需结合编码与接收灵敏度评估。
典型应用场景
ONoC 的收益在以下场景最明显：多核/众核处理器的全局共享缓存与内存访问，长距、大块、可预测；GPU 与加速器之间的高带宽数据搬运，适合电路交换与多播；数据中心芯片间/板间光互连，与封装光学结合；雷达、AI 推理等需要广播权重的场景，波导分束天然高效。反之，频繁小包、强突发、需要复杂缓冲的负载，电 NoC 仍更合适。
课程知识地图
本课程后续内容可归纳为四条主线：器件与物理层（微环、调制器、探测器、波导与损耗）、拓扑与路由（光路如何连接、如何选路与避免冲突）、仲裁与调度（建路、拆路、波长分配与公平性）、系统与评估（光电协同、能耗建模、仿真与基准测试）。下面的关系图给出这四条主线与本节核心概念之间的结构关系，便于建立整体框架。