Computing architectures exploiting optical interconnect and optical memory technologies
Authors: Μανιώτης Παύλος 
Published: September 2021

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται καινοτόμα οπτικά συστήματα που κάνουν χρήση οπτικών τεχνολογιών διασύνδεσης και μνήμης τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την παρουσίαση καινοτόμων υπολογιστικών αρχιτεκτονικών που έχουν ως στόχο τη συνολική αύξηση της απόδοσης αλλά και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Η παρούσα διατριβή ξεκινάει με την παρουσίαση της πλατφόρμας προσομοίωσης OptoHPC-Sim η οποία έχει ως στόχο τη μελέτη της χρήσης καινοτόμων οπτικών τεχνολογιών σε επίπεδο συστήματος σε μελλοντικά συστήματα υπερυπολογιστών. Κάνοντας χρήση του συγκεκριμένου προσομοιωτή προτείνεται μία καινοτόμα αρχιτεκτονική δικτύου για μελλοντικά υπερυπολογιστικά συστήματα η οποία κάνει χρήση σύγχρονων οπτικών τεχνολογιών. Τα αποτελέσματα της συγκριτικής ανάλυσης μεταξύ της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής και της αρχιτεκτονικής που χρησιμοποιείται στον Titan CRAY XK7 υπερυπολογιστή αναδεικνύουν σημαντικά οφέλη τόσο ως προς τη ρυθμοαπόδοση, η οποία παρουσιάζεται αυξημένη κατά 190% κατά μέσο όρο για 8 benchmarks, όσο και ως προς τη μέση καθυστέρηση πακέτου, η οποία παρουσιάζεται κατά 83% βελτιωμένη κατά μέσο όρο για τα ίδια benchmarks. Επεκτείνοντας την χρήση των οπτικών τεχνολογιών από τις αρχιτεκτονικές δικτύων υπερυπολογιστών σε περιβάλλοντα επιπέδου chip επεξεργαστή, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μία καινοτόμα αρχιτεκτονική οπτικής κρυφής μνήμης η οποία επεκτείνει τις μέχρι τώρα διατάξεις που περιορίζονται στη χωρητικότητα ενός και μόνο bit. Η ανάλυση απόδοσης της προτεινόμενης κρυφής μνήμης μέσω προσομοιώσεων φυσικού επιπέδου αναδεικνύει ταχύτητες λειτουργίας έως και 16 GHz, σημαντικά υψηλότερες συγκριτικά με οποιαδήποτε συμβατική τεχνολογία, αυξάνοντας με αυτόν τον τρόπο το συνολικό διαθέσιμο εύρος ζώνης μνήμης. Πηγαίνοντας ένα βήμα παραπέρα προς την ανάδειξη των πλεονεκτημάτων της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής κρυφής μνήμης ως προς την επίλυση του προβλήματος του “Τείχους Μνήμης”, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μία αρχιτεκτονική συστήματος πολυεπεξεργαστή η οποία κάνει χρήση της προτεινόμενη αρχιτεκτονικής κρυφής μνήμης ως διαμοιραζόμενη κρυφή μνήμη ενός επιπέδου. Η αξιολόγηση της απόδοσης της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής πολυεπεξεργαστή γίνεται με τη χρήση της ευρέως διαδεδομένης πλατφόρμας προσομοίωσης Gem5. Τα αποτελέσματα της συγκριτικής μελέτης μεταξύ της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής και μίας συμβατικής αρχιτεκτονικής επεξεργαστή που κάνει χρήση μίας δισδιάστατης ιεραρχίας κρυφών μνημών αναδεικνύουν σημαντική βελτίωση στη συνολική απόδοση του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα αυτό μπορεί να μεταφραστεί είτε σε 19.4% βελτίωση του χρόνου εκτέλεσης ή σε 63% μείωση της απαιτούμενης χωρητικότητας σε κρυφή μνήμη κατά μέσο όρο για 12 benchmarks από την PARSEC σουίτα. Τέλος, μεταφέροντας τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας της οπτικής μνήμης από το επίπεδο των chip των επεξεργαστών στο επίπεδο των καινοτόμων αρχιτεκτονικών πινάκων δρομολόγησης για chip δρομολογητών, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει το πρώτο πλήρως οπτικό κελί συσχετιστικής μνήμης που υποστηρίζει τη χρήση μασκών υποδικτύου Χρησιμοποιώντας ως βασικό δομικό στοιχείο το συγκεκριμένο κελί γίνεται επιπλέον η παρουσίαση μίας αρχιτεκτονικής γραμμής συσχετιστικής μνήμης η οποία υλοποιεί ένα καινοτόμο μηχανισμό αναζήτησης των δεδομένων που βασίζεται στην αρχή της πολυπλεξίας μήκους κύματος. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σε φυσικό επίπεδο παρουσιάζουν επιτυχή λειτουργία της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής γραμμής σε ταχύτητες μέχρι και 20 Gb/s, ταχύτητες οι οποίες είναι κατά πολύ υψηλότερες συγκριτικά με οποιαδήποτε αντίστοιχη συμβατική τεχνολογία.