Οπτικές μνήμες για αρχιτεκτονικές υπολογιστικών συστημάτων με πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος
Authors: Βαγιωνάς Χρήστος 
Published: September 2021

Η αυξανόμενη ζήτηση για Υπερυπολογιστικές Μηχανές Υψηλής Απόδοσης με exascale επεξεργαστική ισχύ θέτει νέα δεδομένα για τις πολυεπεξεργαστικές αρχιτεκτονικές που στοχεύουν να ικανοποιήσουν τη συνέχιση της κλιμάκωσης του νόμου του Moore. Το γεγονός αυτό έχει αναδείξει το περιορισμένο εύρος ζώνης των ηλεκτρονικών διασυνδέσεων ανάμεσα στον επεξεργαστή και τη μνήμη RAM καθώς και την αργή απόκριση των ηλεκτρονικών μνημών, που παραδοσιακά αντιμετωπίζονταν μερικώς από τη χρήση ιεραρχίας μνήμης cache, καταλαμβάνοντας σημαντικό εμβαδό από το πλινθίο του επεξεργαστή. Ο κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να αναπτύξει το απαραίτητο φωτονικό τεχνολογικό υπόβαθρο που θα επιτρέψει την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων με χρήση του φωτός αντί ηλεκτρονίων σε οπτικές μνήμες εκτός της επιφάνειας του πλινθίου, αυξάνοντας το εύρος ζώνης και μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, μελετήθηκαν πειραματικά και θεωρητικά όλα τα επιμέρους κυκλώματα των μνημών που βασίζονταν σε Ημιαγώγιμους Οπτικούς Ενισχυτές (SOAs) ως μια ώριμη μεταγωγική τεχνολογία. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης ενός ενισχυτή SOA χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πινάκων μεταφοράς (ΤΜΜ) για την υπολογιστική κατάτμηση του ενισχυτή κατά μήκος της διάδοσης σε μικρούς στοιχειώδεις ομοιογενείς τομείς σταθερής κατάστασης για το μικρό χρονικό διάστημα της διάδοσης του φωτός, πετυχαίνοντας μεγάλης ακρίβειας προσέγγιση στις πειραματικές μετρήσεις, ενώ στη συνέχεια επεκτάθηκε με την εισαγωγή των πολυπλεγματικών Επίσης, αναπτύχθηκε μια αρχιτεκτονική ενός αμιγώς οπτικού κύτταρου RAM που βασίζεται σε τρεις Ημιαγώγιμους Οπτικούς Ενισχυτές ετεροδιαμόρφωσης κέρδους, και υποστηρίζει λειτουργίες σε ταχύτητες μέχρι 20 Gb/s, ενώ επίσης χρησιμοποιεί τεχνικές κωδικοποίησης μήκους κύματος για πρώτη φορά, πετυχαίνοντας έτσι μεγαλύτερο βαθμό παραλληλισμού και ρυθμοαπόδοσης στη γραμμή εισόδου του συστήματος της μνήμης με ταυτόχρονη μείωση κατά 25% στο πλήθος των ενεργών στοιχείων, την κατανάλωση ενέργειας και στο απαιτούμενο αποτύπωμα (footprint). Επίσης παρουσιάζεται μια ολιστική θεωρητική ανάλυση στο πεδίο της συχνότητας και στο πεδίο του χρόνου για δύο αρχιτεκτονικές οπτικών μνημών RAM, συγκεκριμένα το κελί μνήμης που βασίζεται σε τρεις Ημιαγώγιμους Οπτικούς Ενισχυτές με φαινόμενα ετεροδιαμόρφωσης κέρδους και στο κελί με τρία συμβολόμετρα SOA-MZI Ημιαγώγιμων Οπτικών Ενισχυτών με φαινόμενα ετεροδιαμόρφωσης φάσης. Η θεωρητική ανάλυση καταλήγει σε μία ένα-προς-ένα σύγκριση της απόδοσης του συστήματος των δύο κελιών μνήμης, συμπεραίνοντας ότι το κελί μνήμης με τους τρεις Ημιαγώγιμους Οπτικούς Ενισχυτές παρέχει πλεονεκτήματα για ταχύτητες μέχρι 10 Gb/s και το κελί μνήμης με τα συμβολόμετρα SOA-MZI υπερέχει για ταχύτητες μέχρι 40 GHz. Για την ανάπτυξη από απλά μοναδιαία κελιά μνήμης RAM μέχρι ολόκληρες αρχιτεκτονικές κρυφών μνημών cache με μεγαλύτερες χωρητικότητες, με τη χρήση κωδικοποίησης μήκους κύματος στα δεδομένα της οπτικής λέξης, κάθε κελί μνήμης RAM μιας γραμμής μπορεί να διευθυνσιοδοτηθεί αμιγώς παθητικά με τη χρήση ενός αποπολυπλέκτη Φράγματος Συστοιχίας Κυματοδηγών (AWG) του κυκλώματος Επιλογέα Διεύθυνσης Στήλης, ενώ μια πολυκυματική διακοπτική πύλη SOA-MZI ετεροδιαμόρφωσης φάσης ελέγχει ταυτόχρονα την τυχαία προσπέλαση της γραμμής μνήμης.. Τέλος, παρουσιάζεται το κύκλωμα ενός οπτικού Ελεγκτή Ετικετών Tag, ικανού να αποφασίζει οπτικά για την ευστοχία ή την αστοχία εύρεσης των δεδομένων στη μνήμη.