Optical Cache Memory for Random Access Read/Write: Design and Experimental Implementation
Creators: name: Μόσχος, Θεόδωρος Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Οπτικές Μνήμες
Μνήμες Cache
Περιφερειακά κυκλώματα
Optical Memories
Cache Memories
Peripheral Circuicity

description: Electronic circuits have been the main technology to realize all necessary technologies required for computing, including memories, processors, and the memory-processor interconnection. However, with the memory speeds progressing at a lower rate compared to processor speeds, the use of electronic memory technologies has led to a constantly growing performance gap between processing and storing functionalities, that is commonly referred as “Memory Wall”. This thesis presents the state-of-the-art in electronic memory schemes, in all-optical integrated memory cell implementations, when utilized as the basic building block for a wide variety of applications, like optical random-access memories, Cache memories and address look-up tables applications. These structures regard waveguide memories and broadband memory cell devices that rely on, SOA-based switches and have been experimentally validated, revealing successful operation at 5Gb/s. In this thesis an introduction to the topic of the thesis and the optical memory categories are analyzed, along with the comparison between the electronic and optical technologies and the basic structures and principle of operation of the electronic caches, is also mentioned. Furthermore, the state-of-the-art optical memory architectures, are described and the experimental results for the main building blocks of the waveguide memories and the broadband memory cells are presented. Also, the experimental implementation of a complete Optical Cache Memory for Random Access Read/Write functionalities, at a data rate of 20 Gb/s, is described. Finally, the thesis concludes the work based on the experimental results and proposes possible future research work.
description: Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ήταν μέχρι πρότινος η κύρια τεχνολογία που χρησιμοποιούνταν για την υλοποίηση μνημών, επεξεργαστών και της μεταξύ τους επικοινωνίας. Με την πάροδο των χρόνων όμως, έχει δημιουργηθεί συμφόρηση μεταξύ των δομικών στοιχείων του επεξεργαστή και της μνήμης λόγω της άνισης εξέλιξης αυτών, πρόβλημα γνωστό και ως «Τείχος Μνήμης». Στην παρούσα πτυχιακή παρουσιάζονται κάποιες σύγχρονες τεχνολογίες υλοποίησης των ηλεκτρονικών βασικών μονάδων για μνήμες τυχαίας προσπέλασης, όπως και οπτικές υλοποιήσεις αυτών. Επίσης, παρουσιάζονται καινοτόμες υλοποιήσεις αμιγών οπτικών ολοκληρωμένων κελιών μνήμης οι οποίες είναι βασικά δομικά στοιχεία για την επέκταση σε οπτικές μνήμες τυχαίας προσπέλασης, μνημών Cache καθώς και πίνακες αναζήτησης και δρομολόγησης, καθώς και μία πληθώρα άλλων εφαρμογών. Οι εν λόγω αρχιτεκτονικές αφορούν μνήμες κυματοδηγών «waveguide memories» και ευρυζωνικών κελιών μνήμης για χρήση σε συστοιχίες μνημών, που απαρτίζονται από μεταγωγείς, βασισμένους σε ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (SOAs). Τα πειραματικά αποτελέσματα των προαναφερόμενων αρχιτεκτονικών ελέγχθηκαν σε ρυθμούς μετάδοσης των 5Gb/s. Στην παρούσα εργασία γίνεται αρχικά μια εισαγωγή στο αντικείμενο της εργασίας και αναλύονται οι κατηγορίες οπτικών μνημών καθώς και οι τεχνολογίες αποθήκευσης βάσει του φωτός σε σύγκριση με τις ηλεκτρονικές τεχνολογίες. Ακόμα, παρουσιάζεται η βασική δομή και λειτουργία μίας ηλεκτρονικής μνήμης Cache, σε πλήρη συσχέτιση με την επεξεργαστική μονάδα. Περιγράφονται ακόμα οι πιο σύγχρονες τεχνολογίες υλοποίησης οπτικών μνημών και παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για τις υλοποιήσεις των οπτικών κυματοδηγών και κελιών μνήμης, ενώ επίσης παρουσιάζεται μία πλήρης αρχιτεκτονική Οπτικής Μνήμης Cache τυχαίας προσπέλασης για λειτουργίες εγγραφής και ανάγνωσης (read/write), σε ρυθμούς μετάδοσης των 20Gb/s. Τέλος, εξάγονται τα συμπεράσματα λαμβάνοντας υπόψιν τα πειραματικά αποτελέσματα και αναφέρονται πιθανές μελλοντικές ερευνητικές δραστηριότητες.