EnLight256 Der weltweit erste kommerzielle ODSP

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Informatik und Automatisierung Fachgebiet Rechnerarchitekturen Hauptseminar Sommersemester 2004 zum Thema EnLight256 Der weltweit erste kommerzielle ODSP Bearbeiter:, Betreuer: Dr.-Ing. Bernd Däne

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Optische Digitale Signalverarbeitung Der EnLight Architektur Der optische Kern Softwareentwicklung Anwendungsgebiete Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Quellenverzeichnis

3 1. Einleitung Die immer komplexeren Algorithmen und Berechnungsaufgaben und die steigende Zahl von Kanälen, die in der Rundfunktechnik zu bearbeiten sind, führen zum raschen Eskalieren des Bedürfnisses nach mehr Geschwindigkeit in der digitalen Signalverarbeitung. Konventionelle digitale Signalprozessoren (DSP) versuchen diese Herausforderung dadurch zu bewältigen, dass sie das Letzte aus der Silizium-Technologie herausholen. Sie verfolgen dabei sowohl erwartete als auch unerwartete Strategien: die Erhöhung der Taktzahl und das Hinzufügen von fest verdrahteten und konfigurierbaren Koprozessoren zum Ausführen von spezifischen Algorithmen. Der Druck, mit den Anforderungen von berechnungshungrigen Applikationen Schritt zu halten, wird jedoch immer stärker. Dies führt dazu, dass es einige Ingenieure und Unternehmer in Betracht ziehen, eine technologische Unstetigkeit einzuführen. In diesem Fall ist dies die Lichtwellen-Verarbeitung

4 2. Optische Digitale Signalverarbeitung Der Begriff der optischen digitalen Signalverarbeitung (ODSP) ist in gewisser Weise eine Fehlbezeichnung, denn optische Signale sind von ihrer Natur her analog. Es gibt jedoch eine Rechtfertigung für die Verwendung dieses Begriffs. Die optischen digitalen Signalprozessoren sind für die selben Aufgaben geeignet wie herkömmliche DSPs. Aber die Verwendung von massiv parallelen Strömen von Photonen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, können theoretisch Prozessoren ermöglichen, die Größenordnungen schneller sind als die schnellsten Silizium-Prozessoren. Solche Prozessoren haben ihr Anwendungsfeld bei einer Reihe von berechnungsintensiven Anwendungen, wie zum Beispiel drahtlose Kommunikation, Genanalysen, innere Sicherheit und Data Mining, um nur einige zu nennen. Das Konzept der optischen digitalen Signalverarbeitung beruht auf der Beobachtung, dass, obwohl DSPs mit vielen verschiedenen Arten von Berechnungen umgehen, sie am besten geeignet sind für die Ausführung von Algorithmen wie der FFT (fast fourier transformation). Wie sich zeigt, kann das Licht ähnliche Transformationen durchmachen, wenn es optische Elemente passiert. Insbesondere können sogenannte SLMs (spatial light modulator), räumliche Lichtmodulatoren, das Licht in einer solchen Weise verändern, dass es den intensivsten Aspekten der numerischen Manipulation, die von solchen Algorithmen gefordert werden, gerecht wird. Diese Art von Technologie existiert schon eine geraume Zeit. Sie unterliegt jedoch den Beschränkungen der internen Schaltzeit (elektronisches Schalten und Linsenbewegung) und der Genauigkeit beziehungsweise dem Auflösungsvermögen. Des Weiteren besteht das Problem der Festverdrahtung im optischen Sinne. Die SLMs können lediglich einen Algorithmus bearbeiten und nur einen Satz von Parametern für den Algorithmus. Die Programmierbarkeit der SLMs ist der kritische Faktor für deren kommerziellen Einsatz, und dies ist eine der technologischen Schlüsselherausforderungen. Die Geschwindigkeit ist der größte Vorteil, den die optische digitale Signalverarbeitung der Industrie bietet. Außerdem ist Licht relativ immun gegenüber Übersprechen und anderen Phänomene, die Rauschen induzieren. Die Abschirmung ist somit wesentlich weniger aufwendig als bei elektrischen Leitern und auch die Störanfälligkeit ist geringer. Hinzu kommt, dass dem Licht von Natur aus massive Parallelität innewohnt, deren Vorteile durch Lichtverarbeitung nutzbar werden. Wo konventionelle Elektronik typischerweise eine - 3 -

5 Vielzahl von Manipulationen seriell angeordneter Daten benötigt, kann die optische Verarbeitung die Transformation in einem einzigen Taktzyklus ausführen. Dies entspricht im optischen Sinne einem einzelnen Durchgang des Lichtes durch den SLM und die anderen Systemkomponenten. Diese Tatsache ermöglicht die Nutzung von mathematischen Transformationen anstelle von Befehlen als atomare Grundoperationen. Die Programmierung kann dann auf einem höheren Niveau der Abstraktion erfolgen, was zu einer Beschleunigung der Softwareentwicklung führt. Des Weiteren liegt ein Vorteil der optischen digitalen Signalverarbeitung darin, dass die benötigten Komponenten relativ kostengünstig sind. [TO] - 4 -

6 3. Der EnLight256 Abbildung 1: EnLight256 [LEN] Die israelische Firma Lenslet hat mit der Einführung des EnLight256 im Jahre 2003 einen großen Schritt in Richtung der Etablierung von ODSPs auf dem Markt gemacht. Der EnLight256 ist der weltweit erste kommerzielle DSP mit optischem Kern. Er ist ein Festkommaprozessor, der gigamacs (Multiplikations-, Akkumulationsoperationen) pro Sekunde ausführen kann. Dies ist ungefähr drei Größenordnungen schneller als der momentan schnellste Silizium-DSP, der etwa 8 giga MACs pro Sekunde schafft. [TO] Lenslet war erfolgreich im wirksamen Einsetzen von optischen Technologien, welche ursprünglich für die optische Übertragung und Schaltungstechnik entwickelt wurden, und in der Anwendung dieser auf die optische Verarbeitung durch Nutzung eines einzigartigen algorithmischen Ansatzes, so der Gründer und oberster ausführender Direktor der Lenslet Labs Aviram Sariel. Der EnLight256 kann entweder als Co-Prozessor zur Beschleunigung eines bestehenden Systems genutzt werden. Er kann aber auch als alleinstehender Prozessor für berechnungsintensive Anwendungen eingesetzt werden. Die Schnittstelle ist elektronisch und entspricht der eines Standard-DSP

7 3.1 Architektur Eine Übersicht der Architektur des EnLight256 ist in folgendem Blockdiagramm dargestellt. Abbildung 2: Blockdiagramm des EnLight256 [AC] Der EnLight256 ist ein höchst leistungsfähiger, universeller optischer DSP. Er entspricht auf board-ebene dem Standard-Formfaktor und enthält konventionelle Speicherbausteine und I/O, sowie Programmspeicher und Puffer. Seine Schnittstelle ist die eines Standard-DSP. Damit ist er problemlos in ein vorhandenes System integrierbar. Um die enorme Rechenleistung von gigamacs pro Sekunde effizient nutzen zu können, besitzt der EnLight256 spezielle High Speed Input und High Speed Output Busse und einen schnellen Matrix-Pufferspeicher. Die Größe der Matrix- und Vektorspeicher beträgt jeweils 8 Bit. Der Grund hierfür liegt darin, dass der optische Kern auf einer Wortlänge von 8 Bit arbeitet. Wo auch immer es möglich war, hat Lenslet Fertigkomponenten benutzt. So kommen beispielsweise Optiken zum Einsatz, die für die CDROM Technologie entwickelt wurden, und VCSELs, die weit verbreitet sind in fiber-optischen Kommunikationssystemen. Selbst die GaAs-Chips, die im SLM Anwendung finden, wurden unter Verwendung gängiger Halbleiterentwurfsmethoden konstruiert. Dadurch wird erreicht, dass der EnLight256 in Massenproduktion und mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden kann

8 Der EnLight256 ist programmierbar, was einer der Gründe ist, aus denen er als erster kommerzieller optischer digitaler Signalprozessor bezeichnet werden kann. Das einzigartige Leistungsvermögen des EnLight256 verlangt nach einem speziell entworfenen Mikroprogramm-Befehlssatz, welcher die besonderen Fähigkeiten vollständig nutzt. Deshalb werden vom EnLight256 Befehlssatz sowohl Vektor-Vektor als auch Vektor-Matrix- Manipulationen direkt unterstützt. Da der VMM eine Wortlänge von 8 Bit hat, die VPU dagegen eine von 16 Bit, sind arithmetische und logische Operationen sowohl für 8 als auch für 16 Bit Vektoren enthalten. Weiterhin existieren entsprechende Operationen für reelle und komplexe Vektoren. Außerdem gehören Vergleichs-, Schiebe- und Manipulationsoperationen auf Vektoren zum Befehlssatz. Dies alles ermöglicht eine optimale Ausführung von Basisfunktionen genauso wie von anwendungsspezifischen Makrofunktionen. Der EnLight256 besteht aus drei Komponenten: dem optischen Vektor-Matrix-Multiplikator (VMM), einer Vektorverarbeitungseinheit (VPU) und einem skalaren Standart-DSP. Abbildung 3: Pyramidenmodell des EnLight256 [AC] Der optische Vektor-Matrix-Multiplikator ist das Herzstück des EnLight256. Diesem VMM verdankt der EnLight256 seine außergewöhnliche Leistung. In nur einem Taktzyklus führt der VMM die Multiplikation einer 256 x 256 elementigen Matrix mit einem 256 elementigen Vektor aus, wobei jedes Element 8 Bit breit ist. Bei einem Takt von 125 MHz resultiert dies in 8 teramacs oder gigamacs pro Sekunde

9 Für Vektor-Vektor-Operationen hat Lenslet eine nicht-optische, siliziumbasierte Vektorverarbeitungseinheit entworfen und eingebaut, welche Operationen wie das elementweise Addieren oder Subtrahieren zweier Vektoren und das Finden des größten Elementes eines Vektors ausführt. Die VPU ist gegenwärtig auf einem FPGA implementiert. FPGA steht für field programmable gate array und ist ein Typ eines logischen Chips, ein integrierter Schaltkreis, der aus einem Array von tausenden von UND- und ODER-Gattern besteht und der programmiert werden kann, um komplexe Funktionen auszuführen. Die VPU kann eine Leistung von etwa 128 giga Operationen pro Sekunde erbringen. Für die weitere Entwicklung ist geplant, die VPU eventuell auf einen ASIC zu integrieren. ASIC steht für application specific integrated circuit und ist ein Chip, der für eine spezielle Anwendung entworfen wurde, wobei ASICs durch das Verbinden von existierenden Schaltkreisbausteinen auf eine neue Art und Weise entstehen. [WP] Des Weiteren besitzt der EnLight256 noch einen industriellen Standard-DSP. Hierbei handelt es sich um das Modell TMS320C64xx von der Firma Texas Instruments. Dieser DSP hat die Aufgabe, skalare Operationen durchzuführen, alle logischen Funktionen bereitzustellen, die Software ablaufen zu lassen und Board-Operationen zu verwalten. Außerdem bildet er die Schnittstelle zum externen System. Gegenwärtig ist der EnLight256 auf mehrere Chips verteilt, aber Berichten zufolge plant Lenslet, innerhalb der nächsten fünf Jahre das System auf einen einzigen Chip zu reduzieren. Die aktuelle Version des EnLight256 hat etwa die Größe eines PDA mit Abmessungen von 15 x 15 x 1.7 cm

10 3.2 Der optische Kern Der optische Kern (VMM) basiert darauf, die Multiplikation eines Vektors mit einer Matrix mittels einer optischen Anordnung durchzuführen. Bei der verwendeten Anordnung handelt es sich um eine makroskopische Freifeldoptik. Das bedeutet, dass es keine Führungselemente für die Lichtstrahlen gibt, sondern dass sie sich frei im Raum ausbreiten. Diese Anordnung ist in Abbildung 4 schematisch dargestellt. Abbildung 4: Schema der Vektor-Matrix-Multiplikation [AC] Der Eingangsvektor wird durch ein eindimensionales Feld von VCSELs repräsentiert. VCSEL steht für vertical cavity surface emitting laser. Hierbei handelt es sich um spezielle Laserdioden, welche die Robustheit von LEDs haben, aber im Gegensatz zu diesen kohärentes Licht, das heißt Licht nur einer Wellenlänge und gleicher Phase, emittieren. Eine weitere Besonderheit liegt darin, dass das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird, im Gegensatz zum herkömmlichen Kantenemitter, bei dem das Licht an einer oder an zwei Flanken des Chips austritt. Dies alles führt dazu, dass VCSELs weniger elektrische Energie benötigen, um eine gegebene Menge an kohärentem Licht zu produzieren. Fast genauso wichtig ist der Fakt, dass VCSELs relativ kostengünstig herzustellen sind, dass sie in Gitteranordnungen zusammengefügt werden können, dass sie in der Wellenlänge einfach abzustimmen und auf einem Wafer testbar sind. Sie haben außerdem geringere - 9 -

11 Energieverluste und eine höhere Ausfallsicherheit als gewöhnliche Laserdioden. Durch die VCSELs erfolgt die Umwandlung der elektrischen Signale in Licht, wobei dem Licht die Information durch Veränderung der Intensität aufmoduliert wird. Hierbei beschränkt man sich auf 256 Graustufen. Die Gründe dafür liegen im Problem der Genauigkeit. Die Lichtinformation an sich ist analog. Das bedeutet, dass sie unendlich genau ist bis sie in elektrische Energie umgewandelt wird. Sobald sie quantifiziert wird, geht ein signifikantes Maß an Genauigkeit verloren, da die Konvertierungstechnologien nicht linear sind. Außerdem gibt es Verlusterscheinungen beim Durchgang durch die optische Anordnung. Deshalb ist die Größe der Eingangswerte auf 8 Bit beschränkt, um die notwendige Genauigkeit zu erreichen. Die verwendeten VCSELs basieren auf GaAs-Wafern (Galliumarsenid) und können somit Wellenlängen zwischen 650 nm und 1300 nm erzeugen. Die im optischen Kern verwendete Wellenlänge beträgt 847 nm. [NL] Das von den VCSELs abgestrahlte Licht wird mit Hilfe von Verbundlinsen auf die einzelnen Pixel des SLM fokussiert, und nach Durchlaufen des SLM wird das Licht wiederum von Verbundlinsen auf das Photodetektorfeld gebündelt. Diese Linsen werden als Verbundlinsen bezeichnet, da sie aus zwei Linsen zusammengesetzt sind, wodurch eine höhere Auflösung erreicht werden kann. Der spatiale Lichtmodulator (SLM) repräsentiert die Werte der Matrix. Er besteht aus einem zweidimensionalen Feld von dicht gepackten Lichtmodulatoren. Die Anzahl der Einzelmodulatoren beläuft sich auf 256 x 256 = , wobei jeder von ihnen separat elektrisch adressierbar ist. Die Programmierung des EnLight256 erfolgt durch das Ändern der im SLM gespeicherten Werte. Das ankommende Licht wird in Abhängigkeit von der angelegten Spannung moduliert. Die Modulation bezieht sich in diesem Falle auf die Intensität des Lichtes. Herkömmliche Lichtmodulatoren basieren auf Flüssigkristallen oder auf magnetooptischen Materialien. Die kürzesten Reaktionszeiten dieser Modulatoren liegen jedoch typischerweise in der Größenordnung von 10 bis 100 mikro Sekunden. Um Schaltzeiten im Nanosekundenbereich zu erreichen, setzt Lenslet MQW Technologie ein. MQW steht für multiple quantum well und bedeutet soviel wie mehrfache Quantenfilme. Ein Quantenfilm ist eine extrem dünne Schicht von Halbleitermaterial, deren Stärke nur noch 5 bis 10 nano Meter beträgt. Dies entspricht lediglich rund 10 bis 20 Atomschichten. Diese Schicht von Halbleitermaterial hat eine kleine Bandlücke und ist eingelegt zwischen anderen Halbleitern mit großer Bandlücke. Die Verstärkung in einem einzigen Quantenfilm ist jedoch

12 begrenzt. Deshalb werden mehrere Quantenfilme verwendet, um eine größere Verstärkung zu erhalten. Eine multiple quantum well (MQW) Struktur besteht aus Halbleiterschichten mit abwechselnd kleiner und großer Bandlücke. Die Verstärkung resultiert aus Quanteneffekten, die an den Quantenfilmen ablaufen. [TUB] Nachdem das Licht den SLM passiert hat, wird es wie bereits erwähnt durch die Verbundlinsen auf ein Photodetektorfeld gelenkt. Dies ist wiederum ein eindimensionales Feld bestehend aus Photodioden. Diese Photodioden empfangen das ankommende Licht und konvertieren es zurück in elektrische Energie. Des Weiteren ist jede dieser Photodioden mit einem 8 Bit Analog-Digital-Wandler verbunden, welcher die Quantisierung der Ausgangswerte und somit deren Rückwandlung in 8 Bit Werte vornimmt. Damit ist die optische Verarbeitung abgeschlossen. Abbildung 5: optische Multiplikation und optische Addition [AC] Das Berechnungsergebnis ist das Produkt des 256 elementigen 8 Bit Eingangsvektors mit der 256 x 256 elementigen 8 Bit Matrix. Dabei wird jedes Element des Eingangsvektors auf eine komplette Spalte der Matrix projiziert. Der Durchgang des Lichtes durch den SLM entspricht der Multiplikation. Danach werden alle Strahlen einer kompletten Zeile der Matrix auf eine Photodiode projiziert. Dies bewirkt die Addition aller Werte der Zeile. Alle diese Operationen erfolgen verzögerungsfrei, im elektronischen Sinne. Das Ergebnis liegt am Ausgang vor, sobald am Eingang die Werte angelegt werden. Die Berechnung liefert das Vektor-Matrizen-Produkt der Form: Der EnLight256 wurde entworfen, um sehr robust und widerstandfähig zu sein. Die Zeit zwischen zwei Ausfällen wird auf knapp 10 Jahre geschätzt dank der eingebauten Redundanz

13 So enthält das System beispielsweise 288 VCSELs statt nur 256, die eigentlich benötigt werden. Das System kann automatisch während des Betriebes von einem VCSEL, welcher ausgefallen ist, auf einen der 32 zusätzlichen Laser umschalten. Das Problem der Ungenauigkeiten bei der Lichtverarbeitung wird mit folgendem Ansatz behandelt: Der optische Kern wird als unvollkommener analoger Kanal behandelt. Es werden eine Reihe von Vor- und Nachverarbeitungen vorgenommen, wie Vorverzerrung und Fehlerkorrektur. Durch diese Algorithmen werden die Nachteile der optischen Verarbeitung kompensiert und deren Vorteile nutzbar gemacht. Der optische Kern ist auch als alleinstehendes Produkt nutzbar. Dieses trägt den Namen Ablaze. Die Charakteristiken des Ablaze machen ihn zu einer attraktiven Lösung für viele Anwendungen, die einen fortschrittlichen MQW SLM 2D-Modulator benötigen. Beispiele hierfür sind optische Prozessoren wie der EnLight256, optische Kommunikation, optische Korrelatoren, hochauflösende und hochkapazitive Datenspeicher, I/O mit großer Bandbreite auf CMOS Chips, medizinische, industrielle und militärische Anwendungen und viele mehr

14 3.3 Softwareentwicklung Es wurde besondere Sorgfalt darauf verwendet, die Softwareentwicklung für die EnLight256-Plattform den allgemeinen Industriestandards so ähnlich wie nur möglich zu gestalten. Abbildung 6: Softwareentwicklung auf der EnLight256-Plattform [LEN] Als Schnittstelle zum Hostsystem und somit auch zum Programmierer wird ein Standard- DSP genutzt. Dies bedeutet, dass in den meisten Fällen die Software auf Standard-DSP- Softwaretools entwickelt werden kann, jedoch unter Verwendung der Funktionsbibliotheken des EnLight256. Im einfachsten Fall wird ein vorhandenes DSP-Programm genommen und um Funktionen aus den EnLight256-Bibliotheken erweitert. Der Umstieg auf den EnLight256 ist somit unproblematisch und vorhandene DSP-Softwaretools können weiterhin genutzt werden. Folgekosten bleiben dadurch aus. Die EnLight Bibliotheken stellen ein breites Spektrum an vordefinierten Funktionen bereit. Dazu zählen unter anderem FIR, FFT, Korrelation und Bewegungsschätzung. Systementwickler können jedoch auch direkt von der gesamten Mächtigkeit des EnLight256 als Vektor-Matrix-DSP Gebrauch machen und eigene, speziell auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Funktionen schreiben. Die Entwicklung neuer Funktionen erfolgt mit Hilfe

15 von MathWorks MATLAB. MATLAB ist eine hochentwickelte Sprache für technische Berechnungen und eine interaktive Umgebung für die Algorithmenentwicklung, die Visualisierung und Analyse von Daten sowie für numerische Berechnungen. Mit MATLAB lassen sich technische Probleme schneller lösen als mit herkömmlichen Programmiersprachen wie C, C++ und Fortran. MATLAB enthält außerdem Entwicklungswerkzeugen, mit denen Algorithmen und Anwendungen schnell erstellt und analysiert werden können. Die MATLAB-Sprache unterstützt Vektor- und Matrizen-Operationen und ist damit für die Funktionsentwicklung für den EnLight256 hervorragend geeignet. Gleichzeitig bietet MATLAB alle Funktionen herkömmlicher Programmiersprachen wie etwa arithmetische Operatoren, eine Ablaufsteuerung, Datenstrukturen, Datentypen, objektorientierte Programmierung (OOP) und Debugging-Funktionen. Die Ergebnisse aus MATLAB werden in einer ersten Phase in den MATLAB-EnLight Befehlssatz überführt. In einer zweiten Phase werden sie dann im EnLight Studio in Befehle des EnLight Befehlssatzes übersetzt und zu den nutzerdefinierten Funktionen hinzugefügt. Die neue Funktion kann nun in das Hauptprogramm eingebunden und verwendet werden. [MAT] Des Weiteren hat Lenslet eine umfangreiche Auswahl an Softwaretools zur Unterstützung der Softwareentwicklung bereitgestellt. Die Software kann in einem Standardeditor geschrieben werden oder in der speziellen EnLight256 Assemblersprache oder auch als C- Quellcode verfasst werden. Nach dem Compilieren und Assembeln kann der resultierende Code mit dem Hauptprogramm verlinkt werden, welches wie bereits erwähnt mit Hilfe eines Standard-DSP-Softwaretools erstellt wurde. Dieser gesamte Prozess wird ermöglicht durch die EnLight Studio IDE, welche eine voll integrierte Programmierumgebung ist. Das Debuggen der Software kann unter Verwendung des EnLight Studio Simulators vorgenommen werden, welcher auf einen Standard-PC ausgeführt werden kann. Der EnLight Analyser stellt weitere detailliertere Debuggingmöglichkeiten zur Verfügung. Zuletzt gehört auch noch ein Codeoptimierer zu den Softwaretools und komplettiert Lenslets Supporting Tools. [LEN]

16 3.4 Anwendungsgebiete Die Ergebnisse, die mit Hilfe der optischen Verarbeitung erzielt werden können, sind beeindruckend. Dies zeigt die folgende Tabelle, welche Leistungs-Benchmarks des EnLight256 und die eines herkömmlichen DSP auf dem Stand von 2003 auflistet. Abbildung 7: Leistungs-Benchmarks des EnLight256 [AC] Durch die ausgeprägte Spezialisierung des EnLight256 auf die Vektor-Matrix- Multiplikation scheinen die Anwendungsgebiete im erstem Moment stark begrenzt. Doch dem ist nicht so. Die Multiplikation eines Vektors mit einer Matrix entspricht einer Transformation wie beispielsweise der DFT oder der Korrelation. Im Gegensatz zu elektronischen Architekturen bricht der EnLight256 diese Transformation nicht auf MAC- Operationen herunter, sondern führt die Transformation als Ganzes aus. Da eine Vielzahl von Algorithmen auf solchen Transformation beruhen, wird durch den EnLight256 ein sehr breites Einsatzfeld in einer Vielzahl ganz unterschiedlicher Gebiete angesprochen

17 Die Detektion von Mehrfachbenutzern eines Frequenzbandes in der Mobilkommunikation erfordert das wiederholte Lösen von Gleichungssystemen, um die Interferenzen beim Mehrfachzugriff verschiedener Nutzer auf eine Basisstation zu entkoppeln. Mit der Erhöhung der Nutzerzahl und der Verkleinerung der Bandbreite ist zu erwarten, dass die Interferenz bei Mehrfachzugriffen die Kapazität und das Leistungsvermögen des Systems nachteilig beeinflussen. Die Inferenzauslöschung bei der Mehrfachnutzerdetektion und sogenannte Smart Antenna Algorithmen können unter bestimmten Bedingungen die Systemkapazität mehr als verdreifachen, ohne zusätzlichen Hardwareaufwand. Dies bedeutet natürlich geringere laufende Kosten. Außerdem kann ein solches System eine Vielzahl von Standards und Modulationstechniken gleichzeitig unterstützen. Ein von Lenslet selbst entwickelter SA/MUD Algorithmus kann voraussichtlich mehr als 200 UMTS Nutzer gleichzeitig handhaben. Für die Ausführung von konventionellen Demodulationstechniken ist ein einzelner EnLight256 imstande, etwa 2000 nicht interferierende Nutzer gleichzeitig zu unterstützen. Im Bereich der inneren Sicherheit könnte der EnLight256 Verwendung finden zur Verbesserung der Erkennung und Extraktion von Merkmalen oder anderen Parametern, wie der Verhaltensanalyse, aus Bild- und Tonaufnahmen. Er könnte ein zuverlässiges voll automatisiertes Screening auf einer gewaltigen Datenmenge ermöglichen. Da die EnLight256 Architektur insbesondere eine leistungsstarke Korrelationsmaschine ist, kann sie die Performance solcher Systeme signifikant verbessern. Mögliche Anwendungen sind die Stimmanalyse, die Gesichtserkennung, die Bildverarbeitung und andere. In der Biotechnologie liegen die Einsatzgebiete in der Korrelation von Gendaten und der Korrelation von genetischen Profilen. Diese Berechnungen können durch den EnLight256 deutlich beschleunigt werden und die Auswertung von Gendaten in kürzerer Zeit ermöglichen. Des Weiteren eignet sich der EnLight256 gut zur Verarbeitung von Biosignalen, wie zum Beispiel dem EEG. Für diese Daten kann es zum einen von Interesse sein, eine spektrale Analyse durchzuführen, um die enthaltenen Frequenzen auszuwerten. Dies erfolgt mit Hilfe der FFT. Zum anderen spielt die Erkennung von Mustern eine große Rolle. Hierfür wird die Korrelation verwendet. Beide Operationen werden vom EnLight256 unterstützt und um einen beträchtlichen Faktor beschleunigt. Dadurch kann das große Problem der Echtzeitverarbeitung um einiges entschärft werden. [LEN]

18 Ein weiteres großes Anwendungsfeld ist das sogenannte Data Mining. Hierbei handelt es sich um eine Klasse von Anwendungen, welche nach versteckten Mustern in einer meist sehr großen Datenmenge suchen. Diese Muster können dann dazu verwendet werden, um zukünftiges Verhalten vorauszusagen. Es werden dadurch Beziehungen zwischen den Daten aufgedeckt, die zuvor unbekannt waren. So kann Data Mining Software beispielsweise Einzelhandelsunternehmen dabei helfen, Kunden zu finden, die Interesse an ihren Produkten haben. Diese können dann gezielt beworben werden, was zum einen die Werbekosten für das Unternehmen senkt und deren Nutzen erhöht und zum anderen die lästige Werbeflut für die Kunden verringert. Data Mining ist weit verbreitet in der Wissenschaft und auf mathematischen Gebieten. Der Einsatz im Feld des Marketings kam erst in den letzten Jahren auf, wird aber zunehmend stärker. [WP] Weitere Anwendungsgebiete für den EnLight256 liegen in der kabellosen Kommunikation, in der Funktechnik, in der Echtzeit-Videokompression, in der Radartechnik und in der elektronischen Kriegsführung

19 4. Zusammenfassung und Ausblick Der EnLight256 ist der weltweit erste kommerziell erhältliche Vektor-DSP mit eingebettetem optischen Kern. Dieser Kern führt eine verzögerungsfreie Multiplikation eines 256 elementigen Vektors mit einer 256x256 elementigen Matrix mittels einer Freifeldoptik durch. Die Schnittstelle des EnLight256 entspricht der eines Standard-DSP. Die erreichte Leistung liegt bei giga MACs pro Sekunde, was drei Größenordnungen schneller ist als die Leistung gegenwärtig verfügbarer herkömmlicher DSPs. Die Anwendungsgebiete des EnLight256 liegen unter anderem in der kabellosen Kommunikation, in der Funktechnik, in der inneren Sicherheit, in der Biotechnologie und im Data Mining. Abbildung 8: Entwicklung der Prozessorgeschwindigkeit [AC] Wie die Grafik in Abbildung 8 zeigt, steuert die Halbleitertechnologie ihren theoretischen Grenzen entgegen. Um eine weitere Steigerung der Rechengeschwindigkeit zu erreichen, müssen andere Wege gefunden werden. Die Entwicklung der optischen Computer befindet sich erst am Anfang. Doch Lenslet hat mit seiner innovativen Technologie einen ersten Schritt in eine mögliche Zukunft der Rechentechnik gemacht

20 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Abbildung 2: Abbildung 3: Abbildung 4: Abbildung 5: Abbildung 6: Abbildung 7: Abbildung 8: EnLight256 Blockdiagramm des EnLight256 Pyramidenmodell des EnLight256 Schema der Vektor-Matrix-Multiplikation optische Multiplikation und optische Addition Softwareentwicklung auf der EnLight256-Plattform Leistungs-Benchmarks des EnLight256 Entwicklung der Prozessorgeschwindigkeit

21 Abkürzungsverzeichnis ASIC DFT DSP EEG FFT FIR FPGA GaAs MAC ODSP SA/MUD SLM engl.: application specific integrated circuit anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis engl.: discrete fourier transformation Diskrete Fourier Transformation engl.: digital signal processing / processor digitale Signalverarbeitung / digitaler Signalprozessor Elektroenzephalogramm engl.: fast fourier transformation schnelle Fourier Transformation engl.: finite impulse response endliche Impulsantwort engl.: field programmable gate array programmierbares Gatterfeld Galliumarsenid (ein Halbleitermaterial) engl.: multiplication accumulation operation Multiplikations-, Akkumulationsoperation engl.: optical digital signal processing / processor optische digitale Signalverarbeitung / optischer digitaler Signalprozessor engl. : smart antenna / multi-user detection Smart Antenna / Mehrfachnutzerdetektion engl.: spatial light modulator spatialer Lichtmodulator

22 UMTS VCSEL VMM VPU engl.: universal mobile telecommunication system universelles Mobiltelekommunikationssystem engl.: vertical cavity surface emitting laser vertikal zur Oberfläche emittierender Laser engl.: vector matrix multiplier Vektor-Matrix-Multiplikator engl.: vector processing unit Vektorverarbeitungseinheit

23 Quellenangabe [LEN] [TO] [WP] [NL] [TUB] [AC] [MAT] Homepage der Firma Lenslet, Israel Homepage der TechOnLine Webopedia online Enzyklopädie der Computertechnologie Net-Lexikon Technische Universität Berlin Acreo MathWorks Schweiz