Photonic integrated circuits for routing and computing applications
Authors: Τσακυρίδης Απόστολος 
Published: August 2023

Η εκρηκτική αύξηση της κίνησης και του όγκου δεδομένων που σχετίζεται τόσο με τις ασύρματες-κινητές συσκευές όσο και με τα μεγάλα κέντρα δεδομένων (Data Center) οδηγεί, αυτήν τη στιγμή, στην ανάγκη για ένα αποδοτικό απο πλευράς υλικού (hardware) δίκτυο μεταφοράς δεδομένων, μεγάλης χωρητικότητας διασυνδέσεις στα κέντρα δεδομένων καθώς και καινοτόμες υπολογιστικές μηχανές υψηλής ταχύτητας, τα οποία όμως για να επιτευχθούν απαιτούνται εξαιρετικά μικρές καθυστερήσεις, υψηλό εύρος ζώνης, απρόσκοπτη συνδεσιμότητα, υψηλή φασματική και ενεργειακή απόδοση. Σε αυτό το πλαίσιο, η τεχνολογία των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (PIC) αναδεικνύεται ως μια πολλά υποσχόμενη για μελλοντικά δίκτυα μεταφοράς δεδομένων και παράλληλα ικανή να υποστηρίξει την επεξεργασία του μεγάλου όγκου δεδομένων που απαιτείται στις ασύρματες συσκευές, στα κέντρα δεδομένων και στους υπολογιστές υψηλής απόδοσης (HPC). Απώτερος στόχος είναι η αντικατάσταση της υπάρχουσας ηλεκτρονικής υποδομής με ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα υψηλού εύρους ζώνης, χαμηλής κατανάλωσης και με μεγάλη ευελιξία στην επαναδιαμόρφωση τους. Ως εκ τούτου, οι ερευνητικές συνεισφορές αυτής της διδακτορικής διατριβής έχουν περιστραφεί γύρω από την ανάπτυξη αρχιτεκτονικών τύπου Fiber Wireless (FiWi) και οπτικού μετατροπέα μήκους κύματος εκρηκτικής ροής (BMWC) για φασματικά αποδοτικά, ευέλικτα και χαμηλού κόστους 5G fronthaul δίκτυα καθώς και παθητικά οπτικά δίκτυα (PON) με πολυπλεξία στον χρόνο (TDM). Επιπλέον, για την αντιμετώπιση της ανάγκης για μεταγωγή υψηλής χωρητικότητας, μεγάλης κλίμακας και χαμηλής καθυστέρησης στα κέντρα δεδομένων, αναπτύσσεται και προτείνεται μια αρχιτεκτονική οπτικής μεταγωγής πακέτων. Τέλος, προτείνονται δύο φωτονικά υπολογιστικά συστήματα γραμμικής άλγεβρας με σκοπό τη συγκράτηση και της διαχείριση του τεράστιου όγκου υπολογισμών που εκτελούνται σε συστήματα υψηλής απόδοσης. Αρχικά, προτείνεται τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά μια αρχιτεκτονική οπτικού μετατροπέα μήκους κύματος εκρηκτικής ροής για την ικανοποίηση των απαιτήσεων των δικτύων τύπου TDM-PON όσον αφορά την υψηλή δυναμική εμβέλεια των οπτικών ακροδεκτών αλλά και τον ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Η αρχιτεκτονική περιλαμβάνει έναν διαφορικά πολωμένο οπτικό ενισχυτή ημιαγωγών σε συμβολόμετρο τύπου Mach-Zehnder (SOA-MZI) που λειτουργεί σε καθεστώς βαθύ κορεσμού προκειμένου να παρέχει εξισορρόπηση ισχύος και ταυτόχρονα μετατροπή μήκους κύματος. Η θεωρητική ανάλυση αποκαλύπτει ότι η αρχιτεκτονική μπορεί να παρέχει εξισορρόπηση ισχύος έως και 9 dB και στη συνέχεια επαληθεύεται πειραματικά σε λειτουργία ρυθμού δεδομένων 10 Gb/s, αμβλύνοντας με αυτόν τον τρόπο τις απαιτήσεις του οπτικού ακροδέκτη όσον αφορά τηνυψηλή δυναμική εμβέλεια. Επιπλέον, με απώτερο σκοπό την λειτουργία σε υψηλό ρυθμό δεδομένων, η αρχιτεκτονική BMWC αξιολογείται πειραματικά με λειτουργία εκρηκτικής ροής 20 Gb/s και δεδομένων τύπου χωρίς επιστροφή στο μηδέν (NRZ), με αναλογία υψηλής-χαμηλής ισχύος (loud/soft ratio) έως και 5 dB. Τέλος, προκειμένου να εξομοιωθούν οι πραγματικές συνθήκες κυκλοφορίας σε ενα δίκτυο TDM-PON με εκρηκτική ροή, η αρχιτεκτονική ελέγχθηκε σε ζεύξεις μετάδοσης χωρίς αντιστάθμιση διασποράς και σε διαφορετικές αποστάσεις, παρέχοντας λειτουργία χωρίς σφάλματα σε όλες τις περιπτώσεις. Δεύτερον, αναγνωρίζοντας την απαίτηση για δυνατότητες επαναδιαμόρφωσης αλλά και φασματικής απόδοσης σε 5G fronthaul δίκτυα, παρουσιάζεται μια αρχιτεκτονική τύπου FiWi με δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης εύρους ζώνης για ασύρματα δίκτυα κεντρικής πρόσβασης (C-RANs). Περιλαμβάνει μια τοπολογία διαύλου fronthaul με τέσσερα ανεξάρτητα κανάλια 1 Gb/s που μπορούν να ανακατανεμηθούν μεταξύ δύο κόμβων τεχνολογίας πυριτίου (Silicon Photonic), συνδεδεμένων στην σειρά, τροφοδοτώντας παράλληλα 8 ανεξάρτητα τερματικά. Οι κόμβοι αυτοί έχουν την δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης και προσθήκης/αφαίρεσης οπτικών σημάτων (ROADM) χρησιμοποιώντας πολυπλεξία μήκους κύματος. Κάθε τερματικό περιλαμβάνει μια κεραία συστοιχίας φάσης (PAA) με κατευθυντικές ιδιότητες. Η αρχιτεκτονική ROADM βασίζεται σε διαδοχικά συμβολόμετρα τύπου MZI και έχει κατασκευαστεί στην πλατφόρμα Si3N4 TriPleX που αποδίδει απώλειες εισαγωγής 5 dB. Η εν λόγω αρχιτεκτονική fronthaul αποδεικνύεται πειραματικά χρησιμοποιώντας τέσσερις συνδέσεις FiWi των 250 MBd QAM16 η καθεμία, επιτρέποντας συνολικό ρυθμό 1 Gb/s ανά τερματικό PAA, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις που επιβάλλονται απο τα 5G KPI. Με στόχο την απόδειξη της δυνατότητας για επαναδιαμόρφωση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, τα τέσσερα κανάλια που δημιουργήθηκαν φιλτράρονται είτε στο πρώτο είτε στο δεύτερο στάδιο του κόμβου ROADM, πριν μεταδοθούν ασύρματα μέσω του τερματικού PAA, αποδίδοντας τιμές σφάλματος (EVM) που πληρούν τα όρια και τις προυποθέσεις που επιβάλλονται απο το 3GPP. Με κίνητρο τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι ηλεκτρονικοί μεταγωγείς στα κέντρα δεδομένων που αφορούν την μεγάλη χωρητικότητα και την μικρή καθυστέρηση καθώς και τις νέες απαιτήσεις που εισάγονται από τις αναδυόμενες αρχιτεκτονικές διαχωρισμου (disaggregation), παρουσιάζεται και επιδεικνύεται πειραματικά μια αρχιτεκτονική οπτικού μεταγωγέα πακέτων με το όνομα Hipoλaos (High Port λ-routed All Optical Switch). Η αρχιτεκτονική Hipoλaos υιοθετεί ενα υβριδικό σχήμα μεταγωγής ακολουθώντας την αρχιτεκτονική Spanke και ενσωματώνει τις δυνατότητες δρομολόγησης οπτικών σημάτων μέσω συστοιχιών κυματοδηγών περίθλασης (AWGR) καθώς και προσωρινή αποθήκευση στο οπικό πεδίο, για να προσφέρει υψηλό αριθμό θυρών και καθυστέρηση μικρότερη των μs, αντίστοιχα. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής υλοποιήθηκε πειραματικά ένα επίπεδο 1024 θυρών της αρχιτεκτονικής Hipolaos, αποδίδοντας συνολική χωρητικότητα 25.6 Tb/s και τιμή καθυστέρησης μόλις 56 ns. Οι δυνατότητες μεταγωγής του πρωτοτύπου Hipolaos επιβεβαιώθηκαν πειραματικά σε ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων 25 Gb/s σε σενάρια απλής εκπομπής αλλά και πολυεκπομπής, με μηδενικό αριθμό σφαλμάτων (1x10-9) και στις δύο περιπτώσεις. Τέλος, για την ικανοποίηση των απαιτήσεων μιας ασύγχρονης επικοινωνίας σε εφαρμογές οπτικής μεταγωγής, προτάθηκε ένα κύκλωμα ανάκτησης δεδομένων εκρηκτικής ροής (BM-CDR) που λειτουργεί στα 25 Gb/s και ενσωματώθηκε στο κύκλωμα του δέκτη της αρχιτεκτονικής Hipolaos. Η λειτουργία του επαληθεύτηκε πειραματικά χωρίς σφάλματα (1x10-9) και μέση ποινή ισχύος μόλις 2.88 dB. Εφόσον προτάθηκαν και υλοποιήθηκαν τα δίκτυα μεταφοράς και επεξεργασίας δεδομένων για ασύρματες επικοινωνίες και για κέντρα δεδομένων, στην συνέχεια μελετήθηκαν θεωρητικά δύο φωτονικά υπολογιστικά συστήματα γραμμικής άλγεβρας για εφαρμογές υπολογιστικών συστημάτων υψηλής ταχύτητας. Η πρώτη αρχιτεκτονική βασίζεται σε γενικευμένα συμβολόμετρα τύπου Mach-Zehnder (GMZI) τοποθετημένα σε αύξουσα σειρά μέχρι το μέγεθος N στα οποία παρεμβάλλονται N μετατοπιστές φάσης, κατασκευάζοντας με αυτόν τον τρόπο ένα καθολικά γενικευμένο GMZI (UGMZI), του οποίου η συνάρτηση μεταφοράς χρησιμοποιείται σε ένα μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε θεωρητικά σε αυτή την διατριβή με απώτερο σκοπό την απόδειξη οτι η αρχιτεκτονική UGMZI μπορεί να αναλύσει οποιονδήποτε πίνακα unitary. Η απόδοση της αρχιτεκτονικής UGMZI αξιολογείται χρησιμοποιώντας το μέτρο ομοιότητας (fidelity), το οποίο είναι ένα μέτρο συμφωνίας μεταξύ των πινάκων που αναλύονται με την αρχιτεκτονική UGMZI και των ιδανικών πινάκων που στοχεύονται. Σε αντίθεση με αντίστοιχες αρχιτεκτονικές που έχουν προταθεί μέχρι τώρα, η απόδοση ομοιότητας της αρχιτεκτονικής UGMZI μπορεί πάντα να φτάσει στο 100% χωρίς να αλλοιωθεί η αρχιτεκτονική του δομή. Μεταβαίνοντας στην υλοποίηση τυχαίων πινάκων και όχι μόνο unitary, προτείνονται δύο αρχιτεκτονικές. Η πρώτη χρησιμοποιεί το UGMZI σε ένα σχήμα Singular Value Decomposition (SVD), ενώ το δεύτερο περιλαμβάνει μια αρχιτεκτονική άμεσης αντιστοίχισης στοιχείων που υλοποιείται με εναν ραβδεπαφικό μεταγωγέα (Xbar). Ενώ και οι 2 αρχιτεκτονικές αποδίδουν 100% ομοιότητα (fidelity) που οφείλεται στην ισορροπημένη απο απώλειες διάταξή τους, η αρχιτεκτονική Xbar προσφέρει την καλύτερη επεκτασιμότητα, καθώς αποφεύγει την εκθετική κλιμάκωση των απωλειών των κόμβων. Τέλος, στο τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής παρουσιάζεται και αναπτύσσεται πειραματικά η αρχιτεκτονική Xbar, με σκοπό την υλοποίηση ενός νευρομορφικού φωτονικού επεξεργαστή ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί σε επόμενης γενιάς υπολογιστικά συστήματα που θα είναι ικανά να εκτελούν βαθιά νευρωνικά δίκτυα (DNNs) πάνω σε φωτονική πλατφόρμα. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια ανασκόπηση στην βιβλιογραφία για υπερσύγχρονους (state-of-the-art) φωτονικούς επεξεργαστές, που εστιάζουν στον πολλαπλασιασμό πινάκων-διανυσμάτων το οποίο αποτελεί τον κυρίαρχο υπολογισμό στα νευρωνικά δίκτυα, αναλύοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των διαφορετικών υλοποιήσεων καθώς και τις προοπτικές που προσφέρει κάθε αρχιτεκτονική και τεχνολογική πλατφόρμα. Ορμώμενοι από την επίδοση της αρχιτεκτονικής Xbar όσον αφορά τις απώλειες αλλά και το μέτρο ομοιότητας, κατασκευάστηκε σε πλατφόρμα πυριτίου μια αρχιτεκτονική Xbar διαστάσεων 2:1 χρησιμοποιώντας διαμορφωτές ηλεκτροαπορρόφησης (EAM) ως υπολογιστικές μονάδες. Ο συνδυασμός της αρχιτεκτονικής Xbar με EAMs σαν υπολογιστικές μονάδες βαρών και εισόδων, οδήγησαν στην κατηγοριοποίηση του σετ δεδομένων MNIST με υψηλή ακρίβεια (95,24%) και σε ταχύτητες έως 50 GHz. Επίσης, παρουσιάζεται μια μελέτη στην οποία χρησιμοποιείται ενα Xbar μεγαλύτερων διαστάσεων, με το οποίο επιτυγχάνονται τιμές ενεργειακής και χωρικής απόδοσης 54 fJ/MAC και 1,54 TMAC/s/mm2, αντίστοιχα, διεγείροντας σημαντικές ανακαλύψεις στον τομέα των νευρομορφικών υπολογιστών. Τέλος, επιδεικνύεται πειραματικά μια αμιγώς οπτική μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM) που λειτουργεί στα 10 GHz, η οποία παρέχει και την ταχύτερη λειτουργία ανάγνωσης/εγγραφής μέχρι στιγμής στη βιβλιογραφία. Η προτεινόμενη μνήμη RAM αξιολογήθηκε πειραματικά μέσω μετρήσεων ρυθμού σφαλμάτων (BER), παρέχοντας λειτουργία χωρίς σφάλματα (1x10-9) στις λειτουργίες εγγραφής και ανάγνωσης με ποινή ισχύος 6.2 dB και 0.4 dB, αντίστοιχα.