Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11005
Title: Αρχιτεκτονικές και αλγόριθμοι επικοινωνιών για οπτικές διασυνδέσεις
Other Titles: Architectures and communication algorithms for optical interconnects
Authors: Σιώκης, Απόστολος
Keywords: Οπτικές διασυνδέσεις
Πλακέτες οπτικών κυκλωμάτων
Χωροταξική διάταξη τοπολογιών
Δίκτυα πολλαπλών σημείων
Τοπολογιές μεγάλης συνδεσιμότητας
Μεταγωγείς που συνδυάζουν μεταγωγή στο χώρο με πολυπλεξία μήκους κύματος
Χρονοπρογραμματισμός μεταγωγέων
Keywords (translated): Optical interconnects
Optical printed circuit boards
Topology layout
Multipoint networks
High connectivity topologies
Switches combining space switching and WDM
Switch scheduling
Abstract: Ο συνεχώς αυξανόμενος φόρτος κίνησης στα κέντρα δεδομένων (DC-Data Centers) και στα υπολογιστικά συστήματα υψηλών επιδόσεων (HPC-High Performance Computing) ωθεί τις τεχνολογίες ηλεκτρονικών διασυνδέσεων στα όριά τους. Όσο αυξάνεται η ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης οι ηλεκτρονικές διασυνδέσεις δεν μπορούν να συμβαδίσουν λόγω της πυκνότητας καλωδίωσης, της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και της διασυμβολικής παρεμβολής (crosstalk). Από την άλλη οι οπτικές τεχνολογίες προσφέρουν μεγαλύτερο εύρος ζώνης με χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση. Αυτοί οι λόγοι οδηγούν στην αντικατάσταση των χάλκινων συνδέσμων με ένα «από-έξω-προς-τα-μέσα» τρόπο: οι οπτικές ίνες έχουν ήδη αντικαταστήσει τον χαλκό σε τηλεπικοινωνιακά δίκτυα μεγάλων αποστάσεων και εισχωρούν σε όλο και μικρότερες αποστάσεις σε τοπικά δίκτυα (<= 100 μέτρων). Σήμερα ενεργητικά οπτικά καλώδια (AOC-Active Optical Cables) χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μεταξύ ικριωμάτων σε κέντρα δεδομένων και σε υπολογιστικά συστήματα υψηλών επιδόσεων. Ωστόσο, οι απαιτήσεις σε εύρος ζώνης και η καταναλισκόμενη ενέργεια των δικτύων δεδομένων εξακολουθούν να αποτελούν σημαντικά ζητήματα. Για να ικανοποιηθούν οι ανάγκες σε εύρος ζώνης και να επιτευχθεί μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας, η οπτική τεχνολογία θα χρησιμοποιηθεί σε ακόμη μικρότερες αποστάσεις: στα επίπεδα διασύνδεσης πλακέτας-με-πλακέτα, πάνω-στην-πλακέτα ακόμη και πάνω-στο-ολοκληρωμένο. Αυτή η εξέλιξη φέρνει μια εντελώς νέα τεχνολογία για τα δομικά στοιχεία του δικτύου για την επικοινωνία σε μικρές αποστάσεις. Για να είναι πλήρως εκμεταλλεύσιμες οι δυνατότητες αυτών των νέων δομικών στοιχείων οι αρχιτεκτονικές επόμενης γενιάς για το δίκτυο διασύνδεσης κέντρων δεδομένων και υπολογιστικών συστημάτων υψηλής επίδοσης πρέπει να σχεδιαστούν προσεκτικά για όλα τα επίπεδα ιεραρχίας αυτών των συστημάτων. Σε αυτή την κατεύθυνση η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στο σχεδιασμό αρχιτεκτονικών και αλγορίθμων οι οποίοι εκμεταλλεύονται αυτά τα νέα δομικά στοιχεία. Ειδικότερα, προτείναμε στρατηγικές χωροταξικής διάταξης (layouts) τοπολογιών για πλακέτες οπτικών κυκλωμάτων και παρουσιάσαμε μια μεθοδολογία σχεδιασμού δικτυακών τοπολογιών χρησιμοποιώντας σαν εισόδους παραμέτρους που σχετίζονται τόσο με τα φυσικά χαρακτηριστικά των οπτικών συσκευών όσο και παραμέτρους που σχετίζονται με την επίδοση των δικτυακών τοπολογιών. Η μεθοδολογία σχεδιασμού υλοποιήθηκε σε ένα εργαλείο αυτόματου σχεδιασμού τοπολογιών το οποίο χρησιμοποιήσαμε για να προτείνουμε δικτυακές αρχιτεκτονικές αλλά και για να μελετήσουμε την επίπτωση στις παραγόμενες τοπολογίες των τεχνικών χαρακτηριστικών των συσκευών οπτικών διασυνδέσεων. Στη συνέχεια προτείναμε στρατηγικές layout για τοπολογίες πολλαπλών σημείων όπως διαύλους και τοπολογίες πλέγματος από διαύλους. Παραθέσαμε μαθηματικούς τύπους για τη ρυθμαπόδοση και τη μέση απόσταση τόσο για τοπολογίες πλέγματος από διαύλους (MB-Mesh of Buses) όσο και για τοπολογίες πλέγματος από πλήρως διασυνδεδεμένα δίκτυα (MFCN-Mesh of Fully Connected Networks). Βάσει των παραπάνω προτείναμε αναδιαμορφώσιμες αρχιτεκτονικές τύπου mesh για πλακέτες οπτικών κυκλωμάτων. Έπειτα μελετήσαμε διαφορετικά πλέγματα σχεδίασης τοπολογιών (για πλακέτες οπτικών κυκλωμάτων). Βάσει αυτών προτείναμε τοπολογίες τύπου mesh για τα διάφορα πλέγματα σχεδίασης που μελετήσαμε. Προτείναμε και μελετήσαμε νέες λογικές τοπολογίες μεγάλης συνδεσιμότητας και παραθέσαμε τα σχετικά layouts αυτών. Τέλος εξετάσαμε και μελετήσαμε την επίδοση αρχιτεκτονικών ηλεκτρο-οπτικών μεταγωγέων οι οποίες συνδυάζουν μεταγωγή στο χώρο με πολυπλεξία μήκους κύματος ώστε να επιτυγχάνεται μεγάλο πλήθος θυρών με λίγα στάδια μεταγωγής και μικρές απώλειες σήματος και προτείναμε αλγόριθμους χρονοπρογραμματισμού για μεταγωγείς αυτού του είδους.
Abstract (translated): The ever-increasing network load in Data centers (DC) and High-Performance Computing (HPC) systems pushes the electrical-copper interconnection technologies to their limits. As the need for bandwidth grows, electrical interconnects cannot keep pace due to wiring density, high power dissipation and crosstalk between neighboring channels. On the other hand, photonic technologies offer superior bandwidth at much lower energy consumption. These reasons lead to the replacement of copper based communication in a from-outside-to-the-inside manner: fiber optics have already replaced copper in long-haul telecom systems, and are penetrating shorter distances (<= 100’s of meters) in campus and enterprise LANs. At this point Active Optical Cables (AOC) are the norm for rack-to-rack communication in DC and HPC systems. Even so, bandwidth demands and power consumption of data communication are still daunting issues. In order to cope with both the energy and bandwidth limitations, optical technologies target to be deployed in even shorter distances in the near future: board-to-board, on-board, and even on-chip. This new era brings an entirely new technology portfolio of network modules for short-distance communication. To fully exploit the features of these new building blocks, the architectures for next-generation DCs and HPC systems that will rely upon them should be carefully designed and optimized at all levels of the packaging hierarchy. Within this context, this work aims to propose architectures and algorithms that fully exploit these new building blocks. More specifically, we proposed lay-out strategies for Optical Printed Circuit Boards (OPCB), and we also presented a general methodology for designing optical interconnection networks/architectures, using a set of physical layer and required performance parameters as inputs. This methodology was implemented in an Automatic Topology Design Tool that we used in order to propose interconnection network architectures and to study the impact of the characteristics of optical interconnection devices in the resulting topologies. We also outlined layout strategies for multipoint architectures such as buses and meshes of buses. We provided closed-form formulas for the network capacity and average distance for both the mesh of buses (MB) and mesh of fully connected networks (MFCN) topology families. Based on the above we proposed reconfigurable mesh-like architectures for optical printed circuit boards. We also defined layout models in which various routing options are used (for the on-OPCB level of packaging hierarchy). Based on these models and the routing grids we studied we proposed mesh topologies. We also proposed topologies with high connectivity degrees and discussed their layouts. Finally, we examined scalable electro-optic switch architectures which combine space switching with wavelength division multiplexing to achieve large port numbers using few optical switching stages and low total insertion losses and we proposed scheduling algorithms for switches of this kind.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Siokis(com).pdf7.1 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.