Einsatz optischer Verbindungen in der Rechentechnik

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1 Einsatz optischer Verbindungen in der Rechentechnik 1 Dietmar Fey Friedrich-Schiller-Universität Jena Ernst-Abbe-Platz Jena

2 Überblick Einführung Optische Verbindungen für fein-granulare Optische Verbindungen für grob-granulare Zusammenfassung 2

3 Einführung Klassen von en Wie können diese vom Einsatz optischer Verbindungen profitieren? grobe Unterscheidung zwischen fein-granularen grob-granularen 3

4 Einführung allgemeine Anforderungen an ein Rechensystem 3 Aufgaben zu erfüllen Daten verarbeiten Daten speichern Daten transportieren bestimmen Rechenleistung 4 in beiden Architekturklassen Kommunikation ist kritischer Anteil Einsatz Optik Verbesserung der Kommunikation Verbesserung der gesamten Rechenleistung

5 Einführung Verfolgung verschiedener Ziele durch Einsatz von Optik fein-granulare Ausnutzen der hohen optischen Ortsbandbreite realisieren einer hohen Kanaldichte grob-granulare Ausnutzen der hohen optischen Zeitbandbreite Reduzierung von Latenzen Vermeiden von Konflikten einfachere Wegesuche 5

6 Einführung hohe Ortsbandbreite besonders attraktiv für 3-D optoelektronisches VLSI (OE-VLSI) Kommunikationseinheit weder Bytes noch Worte, sondern binäre Matrizen werden zwischen VLSI-Schaltkreisen übertragen ausgestattet mit 2-D optoelektronischen Schnittstelle length of pipeline z z array of Smart Pixels optical link 6 "Smart-Pixel" processing element optical interconnection module

7 Einführung aktuelle VLSI Technologie bietet im Prinzip riesiges Potenzial von Prozessorelementen in einem Chip integrierbar Problem: nicht alle gleichzeitig verwendbar Grund: Anzahl möglicher externer Verbindungen nicht ausreichend 7

8 Optische Verbindungen für feingranulare Verdrahtungskrise: Pin Limitierung bedingt durch Skalierung und Chipflächen-Vergrößerung Transistor Pin Anstieg α² β²: α = β = = 25 Transistoren 60 Pins = 400 Transistoren 120 Pins

9 Optische Verbindungen für feingranulare Beispiel für Probleme mit langen Leitungen: Latenz späten 1980er: 1.0 µm CMOS Prozess 1 mm Leitungslänge Signal-Verzögerung / Leitungs-Verzögerung = 10 : 1 für fortgeschrittene 0.1 µm-prozess-technologie Signal-Verzögerung / Leitungs-Verzögerung = 1 : 100 Leitungs-Verzögerung nahm innerhalb einer Dekade gegenüber Transistorlatenz um um drei Größenordnungen ab!! 9

10 Optische Verbindungen für feingranulare 3-D OE-VLSI 3-D OESP (optoelectronic stacked processors) Konsortium Li et. al., APPLIED OPTICS Vol. 41, No January

11 Optische Verbindungen für feingranulare Jahns/Sinzinger/Gruber et. al. FernUni Hagen Planare Optik als Technologie für optoelektronische Multi-Chip-Module 11

12 Optische Verbindungen für feingranulare Smarte Detektoren als Assoziativ-Speicher 12 allgemeine Schwierigkeiten bei 3-D OE-VLSI Aufbau- und Verbindungstechnik hybride Aufbau verschiedener Module wie Mikro- Optiken, optische Empfänger und Sender-Felder Mixed-Signal Design saubere Trennung der digitalen und analogen Anteile digitale Anteil leichter skalierbar

13 Beispiele für optoelektronische feingranulare Beispiel 1: superskalare Arithmetikeinheit Optische verbundenen gestapelte PE-Felder arithmetische Operationen Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division pipelines optical interconnect circuit plane 1 circuit plane 2 circuit plane n-1 circuit plane n

14 Beispiele für optoelektronische feingranulare Funktionalität Modifizierte vorzeichenbehaftete Zahlen Darstellung = 4 1 = 3 Addition in zwei Schritten unabhängig von der Wortlänge Regel: = = (2) 10 -(1) (7) (2) = (9) 10 14

15 Beispiele für optoelektronische feingranulare schrittweise Rückkonvertierung beginnend vom höchstwertigen Bit (Ercegovac/Lang: on the flyalgorithm) 1011 A: 1 B: 0 A:10 B:01 A:101 B:100 A:

16 Beispiele für optoelektronische feingranulare In jeder Ebene wird Addition und Rückkonvertierung gleichzeitig ausgeführt Multiplikation und Division zurückführen auf nachfolgende Additionen/Subtraktionen Synthese-Ergebnis unter 100 Transistoren pro PE ausreichend PE Taktfrequenz ~ 200 MHz für 0.8 µm CMOS Prozess 1-to-1 Abbildung zwischen benachbarten PE-Ebenen Durchsatz-Leistung zwischen 4 to 22 GIPS für ein 0.35 µm und 0.5 µm Prozess 16

17 Beispiele für optoelektronische feingranulare Beispiel 2: eine paralleler DSP Leistung basiert auf effizienter Prozessor-Speicher-Kopplung Berechnung von Standardfunktionen basierend auf Konvergenz-Algorithmen 17 einfache Basis-Operationen ausreichend Addition Bitschiebe-Operationen Bit-Abfrage Tabellen-Zugriff vermeidet Flächen-intensive Multiplizierwerke unterstützt Implementierung massiv-paralleler wichtig für effiziente Implementierung TABELLEN-ZUGRIFF!

18 Beispiele für optoelektronische feingranulare entwickelte Konvergenz-Algorithmen Funktion Iterationsformel Start Bedingung cosα x x i i + = 1 i m 2 z 1 i x =? i y y i + = i m arctan2 y = α y 0 0 i i z z x i + = ± 2 z = 0 1 i i 0 ähnliche Formeln existieren für sin, atan, exp, ln, sqr Konstante Werte ln(1+2 -i ) und atan(2 -i ) notwendig 18

19 Beispiele für optoelektronische feingranulare Rein-elektronische Implementierung schwierig wegen zu hohem Aufwands an Tabellen PE PE PE PE table PE table PE table PE PE table PE table PE PE PE PE table PE table 19 1 Tabelle viele globale Leitungen n Tabellen hoher Flächenbedarf

20 Beispiele für optoelektronische feingranulare Lösung für effizienten Tabellenzugriff parallele optische Prozessor-Speicher-Kopplung memory circuit processor circuit 1cm VCSEL clock generatorcircuit ring shift register for constant ln(1+2^-i) ring shift register for constant atan(2^-i) FF FF FF FF FF FF 1 cm i #PEs column i 1 receiver diode clock receiver diode for ln(1+2^-i) receiver diode for atan(2^-i)

21 Beispiele für optoelektronische feingranulare Synthese CADENCE Layout-Synthese für 0.8µm CMOS Prozess Parameter size PE critical path length bit serial 32 Bit µm² 3.66 ns Optimierung Durchsatz 21 MOPS µm 0.5µm 0.8µm MHz

22 Optoelektronische fein-granulare Smarte Detektoren intellig. CMOS Kameras 22 Kompaktere und schnellere Kamerasysteme für die industrielle Bildverarbeitung

23 Optoelektronische fein-granulare Kombination parallele Signalerfassung und parallele Signalauswertung Matrix von Prozessorelementen (SIMD Architektur) X-Netzwerk ein optischer Empfänger je PE identische Logik Smart pixel optical detection PE AD & 1 & Q D = digital processing PD Logik 23

24 Optoelektronische fein-granulare Seriell versus parallele Verarbeitung? Wieviel Pixel mehr seriell? pixel _ ratio ( AChip AADC ALog ) ( APD + AADC + ALog ) # pix _ serial = = # pix _ spix A A PD Chip A Chip = 1 cm² A ADC = 3400 µm² = 1600 µm² A PD µm² 24

25 Optoelektronische fein-granulare Seriell versus parallele Verarbeitung? Zeit pro Pixel pixel _ exec _ time = frame _ rate # pixels [ns] # pixels khz 25

26 Optoelektronische fein-granulare Vorgehensweise beim Entwurf Verhaltensbeschreibung der PE Logik in VHDL Layout Technologie Bibliothek Layout Beschreibung der PE Logik + PD Layout AND31 XOR21 DFF MUX32... Simulation 26 Testbench

27 Optoelektronische fein-granulare fertiges Layout Raster-Anordnung erfordert noch viel Handarbeit Test Strukturen 27 Photodioden, Transimpedanz- Verstärker Bond Anschlüsse digitale Logik

28 Optoelektronische fein-granulare FPGA-Prototyp entwickelt mit Ausgabe Original- und Ergebnisbild auf VGA-Monitor verschiedene Operationen programmierbar Kantendetektierung Erosion Konturkode Dilatation 28

29 Optoelektronische fein-granulare Testsystem mit Faserfeldern Faserfelder selbst entwickelt [Hoppe; mit IPHT] neben Anwendung Sensortechnik zugleich Anwendung für Datenkommunikation demonstriert hohe Übertragungsraten zwischen Baugruppen Raster = 250 µm 16 Kanäle Multi-Mode Faserkern 29

30 Optoelektronische fein-granulare Ankopplung Faserfeld Chip Übertragung zwischen Baugruppen fibre bundle periphery processor board chip with integrated opto-electronic transmitter and receiver arrays Überstand zur Ankopplung 2-D-fibre array-connector gefertigtes Element 30

31 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität hohe Zeitbandbreite in Cluster-Rechnern weiterhin: vereinfachte Wegewahl (Routing) insbesondere in Beowulf-Clustern Fokus auf niedrige Kosten teure und aufwändige Schalter durch passiven optischen Wellenlängen-Multiplex (WDM) ersetzen reflective star coupler λ λ 2 3 λ 4 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 1 λ λ 3 λ 4 λ λ 1 2 λ 4 λ λ 1 λ optical MUX/DEMUX

32 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität grobes WDM (Coarse WDM CWDM) für SAN-Netze Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)- Komponenten zu teuer geringer Wellenlängenabstand (~0.4 nm) stellt hohe Anforderungen bei Herstellung bei höheren Kanalabstand (~ 20 nm) Optische Add-Drop-Multiplexer (ADMs) in hohen Stückzahlen kostengünstig herstellbar Spiegel ADM 32 Beugungsgitter λ 1 λ 4 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 Quelle: Dr. Junger / FhG Institute

33 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität kein Schalter passives Routing mit optischen ADMs Kosten erheblicher Anteil bei Cluster-Rechner entfällt aufs Netzwerk insbesondere dem Switch TDM ~ 20 T Switch GBit-Ethernet 12 x 1: Kupfer: 9.4 TDM ~ 4.7 T Faser: bis zu 30 TDM ~ 15 T Dezember 2001:

34 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität Aufwand in Switches (Schaltern in Netzwerken) z.b. interner Aufbau sog. Sunshine-Switch Batcher-Sortier- Netzwerk sortiert Pakete nach Sortier- Misch-Prinzip Anzahl Stufen: ldn (1+ldn)/2 34

35 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität Banyan-Netzwerk n / 2 ldn (2 2) - Schalter Wertung viele Schalter Batcher-Netzwerk vergleicht über alle Adressbits aufwändige Konfliktbehandlung Puffer-Speicher notwendig 35

36 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität ferner: kollisionsfreies und konfliktfreies Netzwerk bei Sender-basierter Adresskodierung im Gegensatz zu Empfänger-basierter Adressierung Sender-basierte Adresskodierung Optischer Stern-Koppler Empfänger-basierte Adresskodierung Optischer Stern-Koppler 36 λ 1 -λ n-1 λ 1, λ 3 -λ n λ 2 -λ n λ 1 λ 2 λ n λ 1 -λ n λ 1 -λ n-1 λ 1 -λ n λ 1, λ 3 -λ n λ 1 -λ n λ 2 -λ n ADM ADM ADM ADM ADM ADM n n Nachrichten-Format Empfänger-Adresse Daten Nachrichten-Format Sender-Adresse Daten

37 Optische Verbindungen für mit grob-granularer Parallelität Schwierigkeit begrenzte Anzahl Knoten bei CWDM (8-16) Bildung hierarchischer Strukturen (s. Beispiel für 4 Knoten) Maschen-Ring-Netzwerk 2-stufige vollständige Masche 37

38 Zusammenfassung Nutzung optoelektronischer Verbindungen für parallele fein- und grob-granulare zwei fein-granulare Architektur-Beispiele vorgestellt 3-D Schnittstelle für Chip-to-Chip-Kommunikation erlaubt Entwurf leistungsstarker Pipeline- 38 drittes Beispiel: spezielle SIMD- mit paralleler Schnittstelle für intelligente Kamerachips viertes Beispiel: grob-granulare Parallelarchitekturen Optisches CWDM-Netzwerk für SAN-Bereich Alternative zu teuren Schaltern Konflikt-freies Netzwerk