类型a：学术研究报告

重庆邮电大学通信与信息工程学院的Wei Sun、Jingsi Li、Pengxing Guo（同为重庆邮电大学大数据智能计算重点实验室成员）、Xiangyu He、Zimo Wang、Weigang Hou、Lei Guo，以及桂林电子科技大学自动检测技术与仪器广西重点实验室的Cong Hu和新加坡南洋理工大学计算机科学与工程学院的Weichen Liu共同合作，在IEEE Transactions on Green Communications and Networking（2025年9月，第9卷第3期）发表了一篇题为“MSONoC: A Metasurface-Assisted Hybrid Waveguide/FSO Network-on-Chip Architecture”的研究论文。该研究提出了一种基于超表面（metasurface）的混合波导/自由空间光学（Free-Space Optical, FSO）片上网络架构，旨在优化多核计算系统的通信性能。

学术背景

随着信息技术的快速发展，多核计算系统对高带宽、低延迟的片上互连网络（Network-on-Chip, NoC）需求日益迫切。当前的片上互连技术主要分为电互连和光互连两类：电互连面临信号延迟、功耗和可扩展性等瓶颈；而传统光互连（如基于波导的片上光网络，Optical Network-on-Chip, ONoC）虽然带宽高，但平均跳数（average hop count）较高，导致插入损耗、串扰噪声和能耗增加。因此，研究团队提出了MSONoC架构，首次将超表面技术引入ONoC，结合波导有线传输与FSO无线传输，以降低跳数和能耗，提升吞吐量。

研究流程与方法

1. MSONoC架构设计

研究团队设计了一种混合拓扑结构：有线部分采用网状（mesh）布局，用于短距离通信；无线部分通过超表面实现FSO传输，用于跨集群长距离通信。具体步骤包括：
- 超表面设计：基于金-二氧化硅-金（Au-SiO₂-Au）结构的被动反射超表面，利用广义斯涅尔定律（generalized Snell’s law）实现正常反射（θᵣ = θᵢ）和异常反射（θᵣ ≠ θᵢ），后者通过相位梯度控制光束方向（反射角可达31°）。超表面 subunit 的尺寸通过有限差分时域（FDTD）仿真优化，单个超胞（supercell）包含10个亚波长单元，覆盖2π相位梯度。
- 拓扑分区与接入点选择：将n×n网格划分为多个虚拟集群（cluster），每个集群选一个超表面接入点（MSAP）负责无线通信。MSAP选择基于曼哈顿距离最小化原则，通过算法优化平均跳数（公式4-7）。
- 路由算法：提出基于跳数的动态路由策略，在“纯有线路径”和“混合无线/有线路径”中选择跳数更少的方案。若跳数相同，优先使用有线路径以减少激光器的额外能耗。

2. 制造与集成

超表面通过电子束光刻（EBL）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺制备，最终通过晶圆键合技术集成到芯片封装层，确保与光学器件的对准精度。

3. 仿真与性能验证

使用改进的Noxim仿真器在合成流量（均匀随机、转置、洗牌）和真实应用（RS-32_28_8_dec、FPPP、Robot）模型下测试，对比传统NoC、混合无线NoC（HWiNoC）和网状ONoC的性能，评估指标包括：
- 吞吐量（公式9）
- 延迟（公式8，含电控层、光传输层和激光调制时间）
- 能耗（公式10，含电控、光电转换和光传输能耗）
- 插入损耗（公式12）、串扰噪声和光信噪比（OSNR）。

主要结果

1. 超表面性能：仿真显示超表面在入射角0°–30°时平均损耗仅0.27 dB，显著低于微镜（0.5 dB）和传统无线光开关（3 dB）。
   
2. 网络性能：在8×8和16×16拓扑中，MSONoC表现如下：
   
   • 延迟降低：比传统ONoC减少13.9%–36.4%，主要得益于跳数减少。
     
   • 吞吐量提升：最高达79.3%（洗牌流量模型）。
     
   • 能耗优化：比ONoC降低5.4%–14.9%，因无线链路减少了路由器和波导的使用。
     
   • 信号质量：插入损耗降低28.6%，OSNR提升103.4%。
     
3. 实际应用测试：在16×16网格中，RS-32_28_8_dec等应用的延迟减少3.7%–3.9%，吞吐量提升20.88%–22.63%。
   

结论与价值

MSONoC通过超表面实现高效光无线互连，为高性能多核系统提供了一种低延迟、高能效的通信方案。其科学价值在于：
1. 方法创新：首次将超表面应用于ONoC，提出混合传输架构和动态路由算法。
2. 技术优势：超表面的低损耗（0.27 dB）和灵活光束控制（正常/异常反射）显著优于传统反射器件。
3. 应用潜力：适用于数据中心和高性能计算（HPC），缓解电互连的带宽和能耗瓶颈。

研究亮点

• 首创性：首次引入超表面技术优化ONoC，提出MSAP选择算法和跳数路由策略。
  
• 性能突破：通过仿真验证了多项指标的显著改进，尤其在OSNR和能耗方面。
  
• 工艺可行：超表面制造与芯片集成方案具备实际应用前景。
  

其他价值

研究还指出，相比微镜方案，超表面能实现多播传输（multicast）和更紧凑的集成，为未来复杂互连需求提供了扩展性。