Αρχιτεκτονικές και αλγόριθμοι επικοινωνιών για οπτικές διασυνδέσεις
Authors: Σιώκης Απόστολος 
Published: January 2023

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.