Αρχιτεκτονικές και αλγόριθμοι επικοινωνιών για οπτικές διασυνδέσεις

Abstract

The ever-increasing traffic load in data centers (DC-Data Centers) and high-performance computing systems (HPC-High Performance Computing) pushes electronic interconnection technologies to their limits. As the need for higher transmission speeds increases, electronic interconnections cannot keep up due to wiring density, high power consumption, and crosstalk. On the other hand, optical technologies offer greater bandwidth with lower energy consumption. These reasons lead to the replacement of copper links in an "from-outside-to-inside" way: optical fibers have already replaced copper in long-distance telecommunications networks and are penetrating ever shorter distances in local networks (<= 100 meters). Today active optical cables (AOC-Active Optical Cables) are used for communication between racks in data centers and in high-performance computing systems. However, the bandwidth requirements and power consumption of data networks are still important issues. To meet bandwidth needs and achieve greater energy savings, optical technology will be used over even shorter distances: at the board-to-board, on-board and even on-chip interface levels. This development brings an entirely new technology to the network building blocks for short-range communication. In order to fully exploit the potential of these new building blocks, next-generation architectures for the interconnection network of data centers and high-performance computing systems must be carefully designed for all levels of these system hierarchies. In this direction, this thesis aims to design architectures and algorithms that take advantage of these new structural elements. We proposed strategies for layouts of topologies for optical circuit boards and presented a methodology for designing network topologies using as inputs parameters related to both the physical characteristics of optical devices and parameters related to the performance of network topologies. The proposed design methodology was implemented in an automatic topology design tool which we used to we propose network architectures but also to study the impact on the generated topologies of the technical characteristics of the optical interconnection devices. We then proposed layout strategies for multipoint topologies such as buses and Mesh of Buses topologies. We have provided mathematical formulas for throughput and average distance for both MB-Mesh of Buses and MFCN-Mesh of Fully Connected Networks topologies. Based on the above, we proposed reconfigurable mesh-type architectures for optical circuit boards. Then we studied different grids for designing topologies (for optical circuit boards). Based on these, we proposed mesh topologies for the various design grids we studied. We proposed and studied new highly connected logical topologies and listed their relevant layouts. Finally, we examined and studied the performance of architectural electro-optical switches that combine spatial switching with wavelength multiplexing to achieve a large number of ports with few switching stages and low signal losses, and we proposed scheduling algorithms for switches of this kind.

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.