Luận văn: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số thiết kế thiết bị trong hệ thống thông tin quang : Luận văn ThS. Công nghệ thông tin: 60 48 01 04
LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
TÓM TẮT LUẬN VĂN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI QUANG . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Giải pháp kết nối quang trong hệ thống tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3. Mạch quang tử silic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Phương pháp mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Chương 2. LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH MẠCH QUANG TỬ . . . . . . . . . . . . . 17
2.1. Kỹ thuật DSP ứng dụng trong mạch quang tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1. Biến đổi z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2. Cực và không (Poles and zeros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3. Biểu diễn tín hiệu quang trong miền z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4. Trễ nhóm và tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Bộ ghép có hướng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Cấu trúc giao thoa đa mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1. Ống dẫn sóng phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2. Cấu trúc giao thoa đa mode MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
iv
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2.3.3. Thiết bị giao thoa GI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4. Thiết bị giao thoa RI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.5. Thiết bị giao thoa SI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.6. Mô tả bộ ghép giao thoa đa mode bằng ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1. Cấu trúc vi cộng hưởng dùng MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2. Ứng dụng của bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3. Biểu diễn bộ vi cộng hưởng trong miền z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Chương 3. THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CHỨC NĂNG . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1. Bộ ánh sáng nhanh và chậm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2. Bộ bù tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vDanh sách hình vẽ
1.1 Sự phát triển của các kiến trúc đa lõi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Tốc độ truyền dẫn trong các kiến trúc smartphone . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Sơ đồ của một chip kết nối quang giao tiếp ngoài với bộ nhớ, vi xử lý khác4
1.4 So sánh băng thông của CPU, off-chip, bộ nhớ và I/O . . . . . . . . . . 4
1.5 So sánh công suất tiêu thụ của các đường kết nối điện và quang . . . . . 5
1.6 Xu hướng thiết kế chip gần đây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7 Xu hướng thiết kế chip gần đây và định luật Moore . . . . . . . . . . . 6
1.8 Mạng kết nối của hạ tầng tính toán hiệu năng cao . . . . . . . . . . . . 7
1.9 Cấu trúc của một hệ thống quang điểm-điểm . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.10 Bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM . . . . . . . . . . . 11
1.11 Cấu trúc bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM . . . . . . 12
1.12 Cấu trúc ống dẫn sóng Silic (a) cấu trúc kênh và (b) cấu trúc rib . . . . 14
1.13 Ví dụ mô phỏng MZI dùng phương pháp BPhần mềm . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1 Tín hiệu quang truyền qua ống dẫn sóng thẳng . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Cấu trúc hai ống dẫn sóng đầu vào và ra . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Mô phỏng BPhần mềm tín hiệu trong bộ ghép song song . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Mô hình bộ ghép có hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Ống dẫn sóng phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe GI-MMI . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe RI-MMI . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe SI-MMI . . . . . . . . . . . . 26
2.9 Bộ vi cộng hưởng sử dụng 2x2 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
vi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2.10 Đặc tính truyền dẫn của bộ vi cộng hưởng theo hệ số suy hao . . . . . . 28
2.11 Đặc tính phổ của một bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.12 Cấu trúc phản xạ dùng vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.13 Cấu trúc phản xạ dùng vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.14 Mô hình cấu trúc vi cộng hương trong miền z . . . . . . . . . . . . . . 32
2.15 Đáp ứng ra của bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1 Cấu trúc sử dụng 4x4 MMI tạo slow và fast light . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Bộ vi cộng hưởng 2x2 MMI độc lập nhau . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Cấu trúc tạo nhanh và chậm ánh sáng độc lập . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Cấu trúc vi cộng hưởng dùng bộ ghép 2x2 . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Cấu trúc của ống dẫn sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Mô phỏng BPhần mềm tín hiệu trong bộ ghép tại cổng 1 và cổng 2 . . . . . . . 39
3.7 Mô phỏng BPhần mềm tín hiệu trong bộ ghép 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . 39
3.8 Mô phỏng BPhần mềm khi có di pha của bộ ghép nhiều tầng . . . . . . . . . . 40
3.9 Kết quả mô phỏng công suất ra chuẩn hóa . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.10 Kết quả mô phỏng công suất ra theo độ rộng WMMI và λ . . . . . . . . 41
3.11 Kết quả mô phỏng pha tín hiệu ra WMMI và λ . . . . . . . . . . . . . . 42
3.12 Trễ nhóm thay đổi theo hệ số ghép κ1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.13 Tín hiệu vào (nét liền) và ra (nét đứt) của bộ ánh sáng nhanh . . . . . . 44
3.14 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép κe thay đổi được . . . . . . . . . 45
3.15 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép κe thay đổi được dùng MZI . . . 46
3.16 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép κe thay đổi được dùng MZI . . . 47
3.17 Bộ vi cộng hưởng sử dụng 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.18 Cấu trúc tạo bộ bù tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.19 Trễ nhóm của từng bộ vi cộng hưởng và toàn hệ thống . . . . . . . . . 49
viiDanh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
BPM: Beam Propagation Method (Phương pháp truyền chùm quang)
CDC: Compact Dispersion Compensator (Bộ bù tán sắc nhỏ gọn)
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (MOS bù)
DRAM: Dynamic Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động)
DSM: Distributed Shared Memory (Bộ nhớ chia sẻ phân bố)
DSP: Digital Signal Processing (Xử lý tín hiệu số)
DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh theo bước sóng mật
độ cao)
FDM: Finite Difference Method (Phương pháp vi phân hữu hạn)
FLOPS: FLoating point Operations Per Second (Phép toán dấu phảy động/giây)
FTTH: Fiber-to-the Home (Cáp quang đến nhà thuê bao)
GMZI: Generalised Mach Zehnder Interferometer (Giao thoa MZ tổng quát)
I/O: Input/Output (Vào/Ra)
IRTS: International Technology Roadmap for Semiconductors
MMI: Multimode Inteference (Giao thoa đa mode)
MP: Message Passing model (Mô hình truyền thông điệp)
MPA: Mode Propagation Analysis (Phân tích truyền mode)
MRR: Microring Resonator (Bộ vi cộng hưởng)
MZM: Mach-Zehnder Modulator (Bộ điều chế Mach-Zehnder)
OXC: Optical Cross Connect (Kết nối chéo quang)
viii
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiRI: Restricted Interference (Giao thoa giới hạn)
SBS: Stimulated Brillouin Scattering (Tán xạ Brillouin kích thích)
SI: Symmetric Interference (Giao thoa đối xứng)
SOI: Silicon on Insulator
TMM: Transfer Matrix Method (Phương pháp ma trận truyền dẫn)
WDM: Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh quang theo bước sóng)
ZT: Z-Transform (Biến đổi z)
ixMỞ ĐẦU
Trong quá trình nghiên cứu, triển khai và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa
học và bạn bè đồng nghiệp. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến
Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Thanh Thủy- Người Thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tận
tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong học tập, nghiên cứu hoàn thành
luận văn.
tui cũng xin bày tỏ sự Thank sâu sắc đến các thầy, cô trong Trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, giúp đỡ cho tui trong quá trình học
tập và nghiên cứu. tui xin trân trọng gửi lời Thank đến các đồng nghiệp trong
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tui trong học
tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn này. tui xin bày tỏ lời Thank sâu
sắc đến các thầy, cô phản biện đã đọc góp ý, sửa chữa, đánh giá cho bản luận văn
được hoàn thiện.
Cuối cùng, tui cũng xin được Thank các bạn bè đồng nghiệp, gia đình đã cộng
tác góp ý trao đổi để tui có điều kiện hoàn thành kết quả nghiên cứu của mình. Do
vấn đề nghiên cứu có tính liên ngành, là vấn đề mới, đang phát triển và do kiến
thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên chắc rằng không tránh khỏi thiếu sót. Tác
giả mong rằng sẽ nhận được nhiều sự quan tâm góp ý của các thầy, cô, các bạn bè
đồng nghiệp trong và ngoài Trường để cho luận văn được hoàn thiện hơn và tiếp
tục được mở rộng nghiên cứu với những kết quả thu được trong giai đoạn sau này.
Tác giả
Lê Duy Tiến
x
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiTÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn tập trung nghiên cứu vào việc sử dụng kỹ thuật số, đặc biệt là biến đổi
z trong miền quang để ứng dụng trong thiết kế các thiết bị chức năng quang. Luận
văn được chia làm 3 chương gồm chương 1: Tổng quan về mạng kết nối quang,
chương 2: Lý thuyết phân tích mạch quang tử và chương 3 trình bày về thiết kế
một số thiết bị chức năng ứng dụng trong hệ thống kết nối quang.
Luận văn đã tổng hợp, đánh giá việc phát triển của kỹ thuật kết nối toàn quang,
ứng dụng trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao trong tương lai; phân tích lý
thuyết kỹ thuật xử lý tín hiệu số ứng dụng trong phân tích, thiết kế thiết bị trong
miền quang; phân tích hoạt động của một số cấu trúc mạch quang tích hợp như bộ
vi cộng hưởng, cấu trúc giao thoa đa mode, thiết bị ghép có hướng,... đã đề xuất,
thiết kế tối ưu hai cấu trúc mới là cấu trúc làm chậm và tăng cường ánh sáng sử
dụng cấu trúc giao thoa đa mode 4x4 MMI và cấu trúc bù tán sắc có thể điều chỉnh
được với băng thông rộng.
Trên cơ sở các kết quả đó, hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài luận văn có thể
là thiết kế bộ nhớ quang, bộ đệm quang và bộ xử lý tín hiệu toàn quang ứng dụng
trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao, yêu cầu băng thông rộng, tốc độ cao.
Tác giả
Lê Duy Tiến
xiChương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI
QUANG
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống kết nối quang tốc độ cao. Trong tương
lai, hệ thống thông tin quang băng rộng sẽ là một ứng cử viên thay thế cho các hệ
thống thông tin hiện có nhờ ưu điểm băng thông cao, tốc độ nhanh và tiêu thụ
công suất nhỏ. Đặc biệt, nếu các thiết bị trong miền quang được chế tạo trên vật
liệu silic thì khả năng thiết kế các thiết bị on chip và kết nối thông tin trong các hệ
thống tính toán hiệu năng cao là rất khả thi. Chương này cũng trình bày về công cụ
mô phỏng các thiết bị sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo của Luận văn.
1.1. Mở đầu
Khả năng lưu trữ và xử lý thông tin tốc độ cao đã đạt được những bước tiến đáng
kể nhờ công nghệ vi mạch. Tuy vậy, khả năng tích hợp đang tiến dần đến giới hạn.
Theo định luật Moore, số linh kiện trên một đơn vị diện tích trong mạch tích hợp
tăng gấp đôi sau 18 tháng [10]. Do vậy, hiệu năng của các hệ thống tính toán đơn
lẻ sẽ đạt đến giới hạn. Để tận dụng hiệu suất tính toán, việc xử lý song song rõ ràng
cần được sử dụng ở cả cấp độ thấp (mức vi xử lý) và cấp độ cao hơn (mức
hệ thống) để cho phép triển khai các nền tảng tính toán hiệu năng cao [34][21].
Các nền tảng tính toán hiệu năng cao này cho phép tính toán và lưu trữ dữ liệu lớn,
phục vụ các bài toán tính toán khoa học, vật lý học, thiên văn và khoa học sự sống.
Một ví dụ là các siêu máy tính được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tính toán tốc
độ cao, vật lý học và thiên văn học. Một ví dụ khác có liên quan là các trung tâm
dữ liệu và máy chủ, xuất hiện nhờ sự thúc đẩy của Internet. Các trung tâm dữ liệu
1
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phikhông chỉ cho phép phục hồi nhanh chóng các thông tin được lưu trữ cho người
dùng kết nối Internet, mà còn có thể hỗ trợ các ứng dụng tiên tiến (như điện toán
đám mây), cung cấp dịch vụ tính toán và lưu trữ.
Kiến trúc của các bộ vi xử lý hiện đại đang chuyển sang kiến trúc đa lõi (multicore)
như chỉ ra ở Hình 1.1. Băng thông của giao diện DRAM không có khả năng mở
rộng quy mô với nhu cầu lõi ngày càng tăng và cuối cùng sẽ hạn chế hiệu năng mà
hệ thống có thể đạt được [7]. Với các sản phẩm máy tính để bàn, tiêu chuẩn giao
diện bộ nhớ thế hệ mới DDR4 SDRAM sẽ có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu 266
Gbps. Với các hệ thống server thương mại, giao diện bộ nhớ có thể đạt 2560 Gbps.
Hình 1.1: Sự phát triển của các kiến trúc đa lõi
Thậm chí trên các thiết bị di động, xu hướng tăng băng thông, bộ nhớ cũng đang
xẩy ra (Hình1.2) [9]. Để đáp ứng được các yêu cầu này, tốc độ tín hiệu điện phải
được cải thiện, nhưng vướng phải công suất phát cao, tiêu thụ công suất lớn và giá
thành đóng gói, chế tạo cao. Theo dự đoán, chỉ có công nghệ quang và xử lý tín
hiệu quang mới đáp ứng được các yêu cầu về băng thông cao, tốc độ lớn, công suất
tiêu thụ và giá thành chế tạo nhỏ.
Trong nhiều thập kỷ qua đã có các tiến bộ đáng kể trong công nghệ chế tạo vi
mạch, dẫn đến khả năng tính toán ngày càng cao, kích thước nhỏ, tích hợp được
nhiều chức năng trên một chip. Từ đó đã có những cải thiện trong hầu hết các
khía cạnh của các hệ thống tính toán hiệu năng cao. Các mô hình kiến trúc như
mô hình bộ nhớ chia sẻ phân bố DSM (Distributed Shared Memory) và mô hình
2truyền thông điệp MP (Message Passing model)đang nổi lên như là sự lựa chọn
thích hợp cho các hệ thống tính toán hiệu năng cao có khả năng mở rộng.
Số transisor trong các vi mạch sẽ tăng theo thời gian, điều này dẫn đến việc tăng
đáng kế nhu cầu về băng thông ở các mức độ khác nhau, từ kết nối on-chip, chipto-chip, board-to-board và mức hệ thống. Khả năng tính toán trên chip tăng sẽ kéo
theo việc tăng băng thông truyền dẫn giữa các chip và các board. Sự chênh lệch
trong việc cải thiện băng thông của các thành phần hệ thống khác nhau được chỉ ra
ở Hình 1.4. Trong đó, băng thông CPU được tính bằng cách nhân sự gia tăng tốc
độ đồng hồ với các đường dẫn dữ liệu nội bộ. Tốc độ tiên đoán của CPU, đường nối
off-chip, bộ nhớ và cổng vào/ra được tham khảo IRTS (International Technology
Roadmap for Semiconductors) năm 2003 [18]. Trong khi tổng số băng thông I/O
, Off-chip (tính bằng số chân x tốc độ bit/chân) tăng 1,5 lần thì hiệu năng chip sẽ
được cải thiện 4 lần. Khi tốc độ đồng hồ tăng đến hàng GHz, các tín hiệu điện và
kết nối điện sẽ là trở ngại lớn trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao ở cả mức
chip-to-chip và board-to-board.
Hình 1.2: Tốc độ truyền dẫn trong các kiến trúc smartphone
Đối với hệ thống kết nối quang, khi một lõi từ chip vi xử lý muốn giao tiếp với lõi
khác, nó gửi gói dữ liệu tới mặt phẳng quang, khi đó tín hiệu được chuyển đổi từ
điện thành tín hiệu quang dùng bộ điều chế quang. Gói dữ liệu quang sau đó sẽ
được định tuyến qua mạng quang trên chip để tới đích dùng các bộ chuyển mạch
quang băng rộng. Ở phía thu, dữ liệu gói quang lại được chuyển trở lại tín hiệu điện
3
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phidùng photodiode. Kết quả là dữ liệu điện cuối cùng được truyền tới mặt phẳng vi
xử lý của lõi phía đích. Khi một chip vi xử lý muốn kết nối với bộ nhớ hay chip
vi xử lý khác ở ngoài, không trên cùng một board thì nó có thể dùng cùng một
mạng truyền dẫn quang trên chip để thiết lập đường truyền giữa hai mạng. Lúc này
sợi quang đơn mode có thể được sử dụng làm đường truyền. Khái niệm trên được
minh họa ở Hình 1.3 [4].
Hình 1.3: Sơ đồ của một chip kết nối quang giao tiếp ngoài với bộ nhớ, vi xử lý khác
Hình 1.4: So sánh băng thông của CPU, off-chip, bộ nhớ và I/O
4Hình 1.5 mô phỏng kết quả công suất tiêu thụ ở các đường kết nối điện 2, 4, 6, 8
Gbps và đường kết nối quang 4 Gbps. Công suất của các kết nối điện tăng theo
chiều dài và tốc độ bit vì có suy hao lớn hơn và vì vậy sẽ hạn chế các hệ thống tính
toán hiệu năng cao.
Hình 1.5: So sánh công suất tiêu thụ của các đường kết nối điện và quang
Hiện nay, hiệu năng của các chip vi xử lý chủ yếu bị hạn chế bởi tiêu thụ công suất
và sự tỏa nhiệt. Xu hướng này vẫn đang diễn ra trong việc thiết kế các hệ thống
nhiều đơn vị xử lý trung tâm CPU (multi-CPU) và hệ thống đa lõi (multi-core)
như được chỉ ra ở Hình 1.6. Các kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ rằng gần 1/2
tổng công suất tiêu thụ trong các hệ thống này là ở dây dẫn (electrical wiring) chứ
không phải là ở các tranzito [27]. Theo dự đoán, công suất tính toán của CPU (tính
bằng FLOPS-FLoating point Operations Per Second) vẫn tăng theo hàm mũ như ở
Hình 1.7. Đối với các hệ thống dây dẫn điện, các tụ điện và điện trở trên đường dây
tạo thành các bộ lọc thông thấp làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền và băng thông
hệ thống. Đối với các đường truyền quang thì không bị ảnh hưởng bởi yếu tố này.
Vì vậy, nếu như chúng ta có thể phát triển các thiết bị xử lý thông tin trong miền
quang với công suất tiêu thụ thấp thì có thể tương lai sẽ thay thế các hệ thống điện
tử hiện nay. Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống tính toán toàn quang phải có
lộ trình. Đầu tiên các kết nối điện tử trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao có
5
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phithể được thay thế bằng các đường kết nối quang như Hình 1.6.
Hình 1.6: Xu hướng thiết kế chip gần đây
Về mặt tích hợp, Hình 1.7 thể hiện số linh kiện quang được tích hợp trên một chip
quang cùng với số tranzito trên một chip điện tử [28]. Như vậy định luật Moore
trong quang khá giống với định luật Moore trong điện tử. Xu hướng này cho thấy
số linh kiện quang tử tích hợp trên một chip có thể đạt đến hàng triệu vào năm
2025.
Hình 1.7: Xu hướng thiết kế chip gần đây và định luật Moore
Xử lý song song cho phép các nhiệm vụ ứng dụng được thực hiện song song trên
nhiều bộ vi xử lý khác nhau, dẫn đến việc giảm thời gian thực hiện và tăng hiệu
6quả sử dụng. Để có được lợi thế này, các hệ thống máy tính phải được kết nối
thông qua một mạng kết nối dung lượng cao. Trong các hệ thống hiện tại, xử lý
song song đạt được bằng cách phân nhóm các máy chủ đồng nhất. Thông thường,
rack chứa vài chục server kết nối qua một chuyển mạch rack như chỉ ra ở Hình 1.8
để mỗi server có thể kết nối với bất kỳ server nào. Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc
bao gồm thiết bị chuyển mạch điện thường dựa trên Ethernet (cho chi phí thấp và
tính linh hoạt) hay giao thức Infiniband (cho hiệu suất cao). Tương tự như vậy,
trong các siêu máy tính, một mạng lưới kết nối với thông lượng cao và độ trễ thấp
là cần thiết để kết nối hàng ngàn nút tính toán. Gần đây, sự khác biệt giữa hai nền
tảng tính toán nổi bật nhất là trung tâm dữ liệu và các siêu máy tính đã trở nên mờ
nhạt hơn.
Hình 1.8: Mạng kết nối của hạ tầng tính toán hiệu năng cao
Trong một vài thập kỷ qua, nút cổ chai chính của cơ sở hạ tầng tính toán hiệu năng
cao chuyển từ các nút tính toán sang hạ tầng thông tin, truyền dẫn. Khi quy mô
tính toán tăng như tăng số lượng máy chủ và khả năng tính toán, các yêu cầu về
thông lượng cao và độ trễ thấp khó được đảm bảo và khó đạt được hơn. Hiện nay
các chuyển mạch dựa trên điện bị giới hạn về băng thông, tốc độ và số lượng cổng
vào-ra. Để giải quyết vấn đề này, hai hay nhiều mức kết nối được thiết lập để đảm
bảo các server có thể kết nối đầy đủ với nhau.Tuy nhiên, tín hiệu truyền theo hai
hướng nên vẫn bị hạn chế về băng thông. Vì vậy, để đáp ứng các điều kiện tiên
quyết về băng thông và độ trễ trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao thì việc
tìm ra giải pháp mới cho vấn đề này là cần thiết.
7
3.2. Bộ bù tán sắc
Xung ánh sáng gồm nhiều thành phần tần số, mỗi tần số truyền dẫn trong ống dẫn
sóng quang với vận tốc khác nhau nên thời gian truyền từ nguồn đến đích khác
nhau. Điều này gây lên hiện tượng tán sắc, làm dãn xung ánh sáng. Do vậy tốc
độ truyền dẫn giảm đi. Trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao dùng kết nối
quang, bộ bù tán sắc có kích thước nhỏ, có khả năng tích hợp và thay đổi được
(compact dispersion compensator) là vô cùng quan trọng. Nó cho phép bù tán sắc
động trong mạng. Mặc dù ngày nay người ta có nhiều kỹ thuật bù tán sắc như dùng
sợi cách tử Bragg, bù trong miền điện hay dùng sợi bù tán sắc, nhưng các cấu
trúc trên khó có khả năng tích hợp và băng thông thường thấp [13][19]. Do vậy áp
dụng trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao là không khả thi.
Xét cấu trúc vi cộng hưởng có hệ số ghép κe thay đổi được như Hình 3.14. Quan
hệ giữa biên độ phức tín hiệu vào và ra của bộ ghép được biểu diễn qua phương
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
TÓM TẮT LUẬN VĂN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI QUANG . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Giải pháp kết nối quang trong hệ thống tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3. Mạch quang tử silic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Phương pháp mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Chương 2. LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH MẠCH QUANG TỬ . . . . . . . . . . . . . 17
2.1. Kỹ thuật DSP ứng dụng trong mạch quang tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1. Biến đổi z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2. Cực và không (Poles and zeros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3. Biểu diễn tín hiệu quang trong miền z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4. Trễ nhóm và tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Bộ ghép có hướng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Cấu trúc giao thoa đa mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1. Ống dẫn sóng phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2. Cấu trúc giao thoa đa mode MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
iv
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2.3.3. Thiết bị giao thoa GI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4. Thiết bị giao thoa RI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.5. Thiết bị giao thoa SI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.6. Mô tả bộ ghép giao thoa đa mode bằng ma trận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1. Cấu trúc vi cộng hưởng dùng MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2. Ứng dụng của bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3. Biểu diễn bộ vi cộng hưởng trong miền z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Chương 3. THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CHỨC NĂNG . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1. Bộ ánh sáng nhanh và chậm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2. Bộ bù tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vDanh sách hình vẽ
1.1 Sự phát triển của các kiến trúc đa lõi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Tốc độ truyền dẫn trong các kiến trúc smartphone . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Sơ đồ của một chip kết nối quang giao tiếp ngoài với bộ nhớ, vi xử lý khác4
1.4 So sánh băng thông của CPU, off-chip, bộ nhớ và I/O . . . . . . . . . . 4
1.5 So sánh công suất tiêu thụ của các đường kết nối điện và quang . . . . . 5
1.6 Xu hướng thiết kế chip gần đây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7 Xu hướng thiết kế chip gần đây và định luật Moore . . . . . . . . . . . 6
1.8 Mạng kết nối của hạ tầng tính toán hiệu năng cao . . . . . . . . . . . . 7
1.9 Cấu trúc của một hệ thống quang điểm-điểm . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.10 Bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM . . . . . . . . . . . 11
1.11 Cấu trúc bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM . . . . . . 12
1.12 Cấu trúc ống dẫn sóng Silic (a) cấu trúc kênh và (b) cấu trúc rib . . . . 14
1.13 Ví dụ mô phỏng MZI dùng phương pháp BPhần mềm . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1 Tín hiệu quang truyền qua ống dẫn sóng thẳng . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Cấu trúc hai ống dẫn sóng đầu vào và ra . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Mô phỏng BPhần mềm tín hiệu trong bộ ghép song song . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Mô hình bộ ghép có hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Ống dẫn sóng phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe GI-MMI . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe RI-MMI . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe SI-MMI . . . . . . . . . . . . 26
2.9 Bộ vi cộng hưởng sử dụng 2x2 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
vi
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi2.10 Đặc tính truyền dẫn của bộ vi cộng hưởng theo hệ số suy hao . . . . . . 28
2.11 Đặc tính phổ của một bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.12 Cấu trúc phản xạ dùng vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.13 Cấu trúc phản xạ dùng vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.14 Mô hình cấu trúc vi cộng hương trong miền z . . . . . . . . . . . . . . 32
2.15 Đáp ứng ra của bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1 Cấu trúc sử dụng 4x4 MMI tạo slow và fast light . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Bộ vi cộng hưởng 2x2 MMI độc lập nhau . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Cấu trúc tạo nhanh và chậm ánh sáng độc lập . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Cấu trúc vi cộng hưởng dùng bộ ghép 2x2 . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Cấu trúc của ống dẫn sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Mô phỏng BPhần mềm tín hiệu trong bộ ghép tại cổng 1 và cổng 2 . . . . . . . 39
3.7 Mô phỏng BPhần mềm tín hiệu trong bộ ghép 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . 39
3.8 Mô phỏng BPhần mềm khi có di pha của bộ ghép nhiều tầng . . . . . . . . . . 40
3.9 Kết quả mô phỏng công suất ra chuẩn hóa . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.10 Kết quả mô phỏng công suất ra theo độ rộng WMMI và λ . . . . . . . . 41
3.11 Kết quả mô phỏng pha tín hiệu ra WMMI và λ . . . . . . . . . . . . . . 42
3.12 Trễ nhóm thay đổi theo hệ số ghép κ1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.13 Tín hiệu vào (nét liền) và ra (nét đứt) của bộ ánh sáng nhanh . . . . . . 44
3.14 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép κe thay đổi được . . . . . . . . . 45
3.15 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép κe thay đổi được dùng MZI . . . 46
3.16 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép κe thay đổi được dùng MZI . . . 47
3.17 Bộ vi cộng hưởng sử dụng 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.18 Cấu trúc tạo bộ bù tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.19 Trễ nhóm của từng bộ vi cộng hưởng và toàn hệ thống . . . . . . . . . 49
viiDanh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
BPM: Beam Propagation Method (Phương pháp truyền chùm quang)
CDC: Compact Dispersion Compensator (Bộ bù tán sắc nhỏ gọn)
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (MOS bù)
DRAM: Dynamic Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động)
DSM: Distributed Shared Memory (Bộ nhớ chia sẻ phân bố)
DSP: Digital Signal Processing (Xử lý tín hiệu số)
DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh theo bước sóng mật
độ cao)
FDM: Finite Difference Method (Phương pháp vi phân hữu hạn)
FLOPS: FLoating point Operations Per Second (Phép toán dấu phảy động/giây)
FTTH: Fiber-to-the Home (Cáp quang đến nhà thuê bao)
GMZI: Generalised Mach Zehnder Interferometer (Giao thoa MZ tổng quát)
I/O: Input/Output (Vào/Ra)
IRTS: International Technology Roadmap for Semiconductors
MMI: Multimode Inteference (Giao thoa đa mode)
MP: Message Passing model (Mô hình truyền thông điệp)
MPA: Mode Propagation Analysis (Phân tích truyền mode)
MRR: Microring Resonator (Bộ vi cộng hưởng)
MZM: Mach-Zehnder Modulator (Bộ điều chế Mach-Zehnder)
OXC: Optical Cross Connect (Kết nối chéo quang)
viii
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiRI: Restricted Interference (Giao thoa giới hạn)
SBS: Stimulated Brillouin Scattering (Tán xạ Brillouin kích thích)
SI: Symmetric Interference (Giao thoa đối xứng)
SOI: Silicon on Insulator
TMM: Transfer Matrix Method (Phương pháp ma trận truyền dẫn)
WDM: Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh quang theo bước sóng)
ZT: Z-Transform (Biến đổi z)
ixMỞ ĐẦU
Trong quá trình nghiên cứu, triển khai và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa
học và bạn bè đồng nghiệp. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến
Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Thanh Thủy- Người Thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tận
tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong học tập, nghiên cứu hoàn thành
luận văn.
tui cũng xin bày tỏ sự Thank sâu sắc đến các thầy, cô trong Trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, giúp đỡ cho tui trong quá trình học
tập và nghiên cứu. tui xin trân trọng gửi lời Thank đến các đồng nghiệp trong
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tui trong học
tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn này. tui xin bày tỏ lời Thank sâu
sắc đến các thầy, cô phản biện đã đọc góp ý, sửa chữa, đánh giá cho bản luận văn
được hoàn thiện.
Cuối cùng, tui cũng xin được Thank các bạn bè đồng nghiệp, gia đình đã cộng
tác góp ý trao đổi để tui có điều kiện hoàn thành kết quả nghiên cứu của mình. Do
vấn đề nghiên cứu có tính liên ngành, là vấn đề mới, đang phát triển và do kiến
thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên chắc rằng không tránh khỏi thiếu sót. Tác
giả mong rằng sẽ nhận được nhiều sự quan tâm góp ý của các thầy, cô, các bạn bè
đồng nghiệp trong và ngoài Trường để cho luận văn được hoàn thiện hơn và tiếp
tục được mở rộng nghiên cứu với những kết quả thu được trong giai đoạn sau này.
Tác giả
Lê Duy Tiến
x
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiTÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn tập trung nghiên cứu vào việc sử dụng kỹ thuật số, đặc biệt là biến đổi
z trong miền quang để ứng dụng trong thiết kế các thiết bị chức năng quang. Luận
văn được chia làm 3 chương gồm chương 1: Tổng quan về mạng kết nối quang,
chương 2: Lý thuyết phân tích mạch quang tử và chương 3 trình bày về thiết kế
một số thiết bị chức năng ứng dụng trong hệ thống kết nối quang.
Luận văn đã tổng hợp, đánh giá việc phát triển của kỹ thuật kết nối toàn quang,
ứng dụng trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao trong tương lai; phân tích lý
thuyết kỹ thuật xử lý tín hiệu số ứng dụng trong phân tích, thiết kế thiết bị trong
miền quang; phân tích hoạt động của một số cấu trúc mạch quang tích hợp như bộ
vi cộng hưởng, cấu trúc giao thoa đa mode, thiết bị ghép có hướng,... đã đề xuất,
thiết kế tối ưu hai cấu trúc mới là cấu trúc làm chậm và tăng cường ánh sáng sử
dụng cấu trúc giao thoa đa mode 4x4 MMI và cấu trúc bù tán sắc có thể điều chỉnh
được với băng thông rộng.
Trên cơ sở các kết quả đó, hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài luận văn có thể
là thiết kế bộ nhớ quang, bộ đệm quang và bộ xử lý tín hiệu toàn quang ứng dụng
trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao, yêu cầu băng thông rộng, tốc độ cao.
Tác giả
Lê Duy Tiến
xiChương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI
QUANG
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống kết nối quang tốc độ cao. Trong tương
lai, hệ thống thông tin quang băng rộng sẽ là một ứng cử viên thay thế cho các hệ
thống thông tin hiện có nhờ ưu điểm băng thông cao, tốc độ nhanh và tiêu thụ
công suất nhỏ. Đặc biệt, nếu các thiết bị trong miền quang được chế tạo trên vật
liệu silic thì khả năng thiết kế các thiết bị on chip và kết nối thông tin trong các hệ
thống tính toán hiệu năng cao là rất khả thi. Chương này cũng trình bày về công cụ
mô phỏng các thiết bị sẽ được sử dụng trong các chương tiếp theo của Luận văn.
1.1. Mở đầu
Khả năng lưu trữ và xử lý thông tin tốc độ cao đã đạt được những bước tiến đáng
kể nhờ công nghệ vi mạch. Tuy vậy, khả năng tích hợp đang tiến dần đến giới hạn.
Theo định luật Moore, số linh kiện trên một đơn vị diện tích trong mạch tích hợp
tăng gấp đôi sau 18 tháng [10]. Do vậy, hiệu năng của các hệ thống tính toán đơn
lẻ sẽ đạt đến giới hạn. Để tận dụng hiệu suất tính toán, việc xử lý song song rõ ràng
cần được sử dụng ở cả cấp độ thấp (mức vi xử lý) và cấp độ cao hơn (mức
hệ thống) để cho phép triển khai các nền tảng tính toán hiệu năng cao [34][21].
Các nền tảng tính toán hiệu năng cao này cho phép tính toán và lưu trữ dữ liệu lớn,
phục vụ các bài toán tính toán khoa học, vật lý học, thiên văn và khoa học sự sống.
Một ví dụ là các siêu máy tính được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tính toán tốc
độ cao, vật lý học và thiên văn học. Một ví dụ khác có liên quan là các trung tâm
dữ liệu và máy chủ, xuất hiện nhờ sự thúc đẩy của Internet. Các trung tâm dữ liệu
1
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phikhông chỉ cho phép phục hồi nhanh chóng các thông tin được lưu trữ cho người
dùng kết nối Internet, mà còn có thể hỗ trợ các ứng dụng tiên tiến (như điện toán
đám mây), cung cấp dịch vụ tính toán và lưu trữ.
Kiến trúc của các bộ vi xử lý hiện đại đang chuyển sang kiến trúc đa lõi (multicore)
như chỉ ra ở Hình 1.1. Băng thông của giao diện DRAM không có khả năng mở
rộng quy mô với nhu cầu lõi ngày càng tăng và cuối cùng sẽ hạn chế hiệu năng mà
hệ thống có thể đạt được [7]. Với các sản phẩm máy tính để bàn, tiêu chuẩn giao
diện bộ nhớ thế hệ mới DDR4 SDRAM sẽ có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu 266
Gbps. Với các hệ thống server thương mại, giao diện bộ nhớ có thể đạt 2560 Gbps.
Hình 1.1: Sự phát triển của các kiến trúc đa lõi
Thậm chí trên các thiết bị di động, xu hướng tăng băng thông, bộ nhớ cũng đang
xẩy ra (Hình1.2) [9]. Để đáp ứng được các yêu cầu này, tốc độ tín hiệu điện phải
được cải thiện, nhưng vướng phải công suất phát cao, tiêu thụ công suất lớn và giá
thành đóng gói, chế tạo cao. Theo dự đoán, chỉ có công nghệ quang và xử lý tín
hiệu quang mới đáp ứng được các yêu cầu về băng thông cao, tốc độ lớn, công suất
tiêu thụ và giá thành chế tạo nhỏ.
Trong nhiều thập kỷ qua đã có các tiến bộ đáng kể trong công nghệ chế tạo vi
mạch, dẫn đến khả năng tính toán ngày càng cao, kích thước nhỏ, tích hợp được
nhiều chức năng trên một chip. Từ đó đã có những cải thiện trong hầu hết các
khía cạnh của các hệ thống tính toán hiệu năng cao. Các mô hình kiến trúc như
mô hình bộ nhớ chia sẻ phân bố DSM (Distributed Shared Memory) và mô hình
2truyền thông điệp MP (Message Passing model)đang nổi lên như là sự lựa chọn
thích hợp cho các hệ thống tính toán hiệu năng cao có khả năng mở rộng.
Số transisor trong các vi mạch sẽ tăng theo thời gian, điều này dẫn đến việc tăng
đáng kế nhu cầu về băng thông ở các mức độ khác nhau, từ kết nối on-chip, chipto-chip, board-to-board và mức hệ thống. Khả năng tính toán trên chip tăng sẽ kéo
theo việc tăng băng thông truyền dẫn giữa các chip và các board. Sự chênh lệch
trong việc cải thiện băng thông của các thành phần hệ thống khác nhau được chỉ ra
ở Hình 1.4. Trong đó, băng thông CPU được tính bằng cách nhân sự gia tăng tốc
độ đồng hồ với các đường dẫn dữ liệu nội bộ. Tốc độ tiên đoán của CPU, đường nối
off-chip, bộ nhớ và cổng vào/ra được tham khảo IRTS (International Technology
Roadmap for Semiconductors) năm 2003 [18]. Trong khi tổng số băng thông I/O
, Off-chip (tính bằng số chân x tốc độ bit/chân) tăng 1,5 lần thì hiệu năng chip sẽ
được cải thiện 4 lần. Khi tốc độ đồng hồ tăng đến hàng GHz, các tín hiệu điện và
kết nối điện sẽ là trở ngại lớn trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao ở cả mức
chip-to-chip và board-to-board.
Hình 1.2: Tốc độ truyền dẫn trong các kiến trúc smartphone
Đối với hệ thống kết nối quang, khi một lõi từ chip vi xử lý muốn giao tiếp với lõi
khác, nó gửi gói dữ liệu tới mặt phẳng quang, khi đó tín hiệu được chuyển đổi từ
điện thành tín hiệu quang dùng bộ điều chế quang. Gói dữ liệu quang sau đó sẽ
được định tuyến qua mạng quang trên chip để tới đích dùng các bộ chuyển mạch
quang băng rộng. Ở phía thu, dữ liệu gói quang lại được chuyển trở lại tín hiệu điện
3
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phidùng photodiode. Kết quả là dữ liệu điện cuối cùng được truyền tới mặt phẳng vi
xử lý của lõi phía đích. Khi một chip vi xử lý muốn kết nối với bộ nhớ hay chip
vi xử lý khác ở ngoài, không trên cùng một board thì nó có thể dùng cùng một
mạng truyền dẫn quang trên chip để thiết lập đường truyền giữa hai mạng. Lúc này
sợi quang đơn mode có thể được sử dụng làm đường truyền. Khái niệm trên được
minh họa ở Hình 1.3 [4].
Hình 1.3: Sơ đồ của một chip kết nối quang giao tiếp ngoài với bộ nhớ, vi xử lý khác
Hình 1.4: So sánh băng thông của CPU, off-chip, bộ nhớ và I/O
4Hình 1.5 mô phỏng kết quả công suất tiêu thụ ở các đường kết nối điện 2, 4, 6, 8
Gbps và đường kết nối quang 4 Gbps. Công suất của các kết nối điện tăng theo
chiều dài và tốc độ bit vì có suy hao lớn hơn và vì vậy sẽ hạn chế các hệ thống tính
toán hiệu năng cao.
Hình 1.5: So sánh công suất tiêu thụ của các đường kết nối điện và quang
Hiện nay, hiệu năng của các chip vi xử lý chủ yếu bị hạn chế bởi tiêu thụ công suất
và sự tỏa nhiệt. Xu hướng này vẫn đang diễn ra trong việc thiết kế các hệ thống
nhiều đơn vị xử lý trung tâm CPU (multi-CPU) và hệ thống đa lõi (multi-core)
như được chỉ ra ở Hình 1.6. Các kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ rằng gần 1/2
tổng công suất tiêu thụ trong các hệ thống này là ở dây dẫn (electrical wiring) chứ
không phải là ở các tranzito [27]. Theo dự đoán, công suất tính toán của CPU (tính
bằng FLOPS-FLoating point Operations Per Second) vẫn tăng theo hàm mũ như ở
Hình 1.7. Đối với các hệ thống dây dẫn điện, các tụ điện và điện trở trên đường dây
tạo thành các bộ lọc thông thấp làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền và băng thông
hệ thống. Đối với các đường truyền quang thì không bị ảnh hưởng bởi yếu tố này.
Vì vậy, nếu như chúng ta có thể phát triển các thiết bị xử lý thông tin trong miền
quang với công suất tiêu thụ thấp thì có thể tương lai sẽ thay thế các hệ thống điện
tử hiện nay. Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống tính toán toàn quang phải có
lộ trình. Đầu tiên các kết nối điện tử trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao có
5
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phithể được thay thế bằng các đường kết nối quang như Hình 1.6.
Hình 1.6: Xu hướng thiết kế chip gần đây
Về mặt tích hợp, Hình 1.7 thể hiện số linh kiện quang được tích hợp trên một chip
quang cùng với số tranzito trên một chip điện tử [28]. Như vậy định luật Moore
trong quang khá giống với định luật Moore trong điện tử. Xu hướng này cho thấy
số linh kiện quang tử tích hợp trên một chip có thể đạt đến hàng triệu vào năm
2025.
Hình 1.7: Xu hướng thiết kế chip gần đây và định luật Moore
Xử lý song song cho phép các nhiệm vụ ứng dụng được thực hiện song song trên
nhiều bộ vi xử lý khác nhau, dẫn đến việc giảm thời gian thực hiện và tăng hiệu
6quả sử dụng. Để có được lợi thế này, các hệ thống máy tính phải được kết nối
thông qua một mạng kết nối dung lượng cao. Trong các hệ thống hiện tại, xử lý
song song đạt được bằng cách phân nhóm các máy chủ đồng nhất. Thông thường,
rack chứa vài chục server kết nối qua một chuyển mạch rack như chỉ ra ở Hình 1.8
để mỗi server có thể kết nối với bất kỳ server nào. Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc
bao gồm thiết bị chuyển mạch điện thường dựa trên Ethernet (cho chi phí thấp và
tính linh hoạt) hay giao thức Infiniband (cho hiệu suất cao). Tương tự như vậy,
trong các siêu máy tính, một mạng lưới kết nối với thông lượng cao và độ trễ thấp
là cần thiết để kết nối hàng ngàn nút tính toán. Gần đây, sự khác biệt giữa hai nền
tảng tính toán nổi bật nhất là trung tâm dữ liệu và các siêu máy tính đã trở nên mờ
nhạt hơn.
Hình 1.8: Mạng kết nối của hạ tầng tính toán hiệu năng cao
Trong một vài thập kỷ qua, nút cổ chai chính của cơ sở hạ tầng tính toán hiệu năng
cao chuyển từ các nút tính toán sang hạ tầng thông tin, truyền dẫn. Khi quy mô
tính toán tăng như tăng số lượng máy chủ và khả năng tính toán, các yêu cầu về
thông lượng cao và độ trễ thấp khó được đảm bảo và khó đạt được hơn. Hiện nay
các chuyển mạch dựa trên điện bị giới hạn về băng thông, tốc độ và số lượng cổng
vào-ra. Để giải quyết vấn đề này, hai hay nhiều mức kết nối được thiết lập để đảm
bảo các server có thể kết nối đầy đủ với nhau.Tuy nhiên, tín hiệu truyền theo hai
hướng nên vẫn bị hạn chế về băng thông. Vì vậy, để đáp ứng các điều kiện tiên
quyết về băng thông và độ trễ trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao thì việc
tìm ra giải pháp mới cho vấn đề này là cần thiết.
7
3.2. Bộ bù tán sắc
Xung ánh sáng gồm nhiều thành phần tần số, mỗi tần số truyền dẫn trong ống dẫn
sóng quang với vận tốc khác nhau nên thời gian truyền từ nguồn đến đích khác
nhau. Điều này gây lên hiện tượng tán sắc, làm dãn xung ánh sáng. Do vậy tốc
độ truyền dẫn giảm đi. Trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao dùng kết nối
quang, bộ bù tán sắc có kích thước nhỏ, có khả năng tích hợp và thay đổi được
(compact dispersion compensator) là vô cùng quan trọng. Nó cho phép bù tán sắc
động trong mạng. Mặc dù ngày nay người ta có nhiều kỹ thuật bù tán sắc như dùng
sợi cách tử Bragg, bù trong miền điện hay dùng sợi bù tán sắc, nhưng các cấu
trúc trên khó có khả năng tích hợp và băng thông thường thấp [13][19]. Do vậy áp
dụng trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao là không khả thi.
Xét cấu trúc vi cộng hưởng có hệ số ghép κe thay đổi được như Hình 3.14. Quan
hệ giữa biên độ phức tín hiệu vào và ra của bộ ghép được biểu diễn qua phương
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
Last edited by a moderator: