随着芯片上IP(Intellecture Property)核数目的增多,IP核之间的互连问题已经成为制约芯片性能提升的主要瓶颈,实现数量众多的IP核心之间的高效互连成为目前亟需解决的问题。光片上网络(ONoC,Optical Network-on-Chip)由于在通信速度、带宽、功耗、串扰、拓展性以及设计复用性等方面具有着巨大优势,已经受到国内外学者的广泛关注。但是传统的ONoC通信架构难以满足众核乃至千核大规模芯片对系统集成度和通信容量提出的严峻要求,对互连网络规模的增长缺乏足够的适应能力。基于此,本文围绕三维互连架构,以提升片上互连系统的网络容量为目标,对传统三维ONoC架构展开性能仿真与分析,并从建链方案、通信策略以及拓扑结构三个方面对大容量三维ONoC进行优化设计,具体内容如下:1.三维ONoC通信架构性能仿真与分析。研究了网络维度、信息分组长度、网络规模以及流量模式等因素对基于光电路交换和时分复用这两种通信机制的三维ONoC的影响,分析了阻碍传统三维ONoC通信速度和网络容量进一步提升的主要因素。仿真结果表明,相较于二维架构,三维ONoC具有更好的通信速度和吞吐性能、更能满足大规模芯片对集成度和互连性能提出的要求。但是传统基于光电路交换机制的三维ONoC对于网络规模的增长以及流量模式复杂化的适应能力仍比较弱;而传统的时分复用三维ONoC同样对网络规模比较敏感,但能够很好地屏蔽复杂流量模式对通信性能的影响。2.大容量三维ONoC优化设计。首先,以提高光电路交换3D ONoC的建链效率为目标,采用时间预测的网络状态划分方法来做撤链决策,提出了一种动态退避建链方案;其次,以提高三维芯片层内以及层间IP核的通信效率为目标,将光电路交换机制和时分复用方法进行互补结合,提出了一种层内建链、层间时分复用的混合分层通信机制;最后,以提高网络连通性为目标,提出了一种基于星型簇结构并具有三层通信方法的三维ONoC通信架构。仿真结果显示,较传统停止等待建链方案,基于网络状态划分的动态退避建链方案在最好情况下饱和注入点提高了20%,网络吞吐量提高了32.7%;较传统光电路交换通信机制,混合分层通信机制在均匀流量模式下饱和注入点提高了28.7%,网络吞吐量提高了44.5%,而在复杂流量模式下,网络的通信性能基本不受影响;在256核的网络规模下,较传统3D Mesh通信架构,基于星型簇结构的三维ONoC通信架构在均匀流量模式下饱和注入点提高了78.6%,网络吞吐量提高了51.8%,热点流量模式下饱和注入点提高了66.7%,网络吞吐量提高了40.7%。此外,在提高网络连通性的同时,基于星型簇结构的三维ONoC通信架构还将互连系统的面积成本和光损耗维持在一个较低的水平。