Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số thiết kế thiết bị trong hệ thống thông tin quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ DUY TIẾN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội-2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ DUY TIẾN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG Ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Nguyễn Thanh Thủy Hà Nội-2014 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, trừ những chỗ đã ghi chú, trích dẫn tham khảo. Tác giả Lê Duy Tiến iii Mục lục 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 2.3.3. 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 v Danh 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 BPM . . . . . . . . . . . . . . 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 BPM 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 2.10 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 BPM tín hiệu trong bộ ghép tại cổng 1 và cổng 2 . . . . . . . 39 3.7 Mô phỏng BPM tín hiệu trong bộ ghép 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . 39 3.8 Mô phỏng BPM 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 vii Danh 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 RI: 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) ix MỞ 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. Tôi cũng xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô trong Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, giúp đỡ cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp trong Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong học tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn 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, tôi cũng xin được cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, gia đình đã cộng tác góp ý trao đổi để tôi 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 TÓM 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 xi Chương 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 phải 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 không 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 2 truyền 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 dùng 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 4 Hình 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 thể 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 6 quả 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) hoặc 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 Việc tăng quy mô của các hệ thống tính toán cũng gây ra sự tăng đáng kể trong tiêu thụ điện năng. Hiện nay, tiêu thụ điện năng của hệ thống tính toán lớn đang gia tăng với tốc độ hàng năm khoảng 15% đến 20 % cho các trung tâm dữ liệu và lên đến 50% cho các siêu máy tính. Theo các nghiên cứu gần đây, tổng công suất tiêu thụ của các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới đã tương đương mức tiêu thụ điện năng của một nước như Argentina hay Hà Lan [35]. Trong một trung tâm dữ liệu, cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc được ước tính tiêu hao khoảng 10 % năng lượng tổng thể giả định rằng có sử dụng đầy đủ các máy chủ. Tuy nhiên, giả định này khó xẩy ra trong hệ thống tính toán hiện nay vì máy chủ thường được dự phòng. Khi xem xét các cải thiện gần đây trong việc thiết kế máy chủ để giảm tiêu thụ năng lượng, tiêu thụ công suất mạng đạt đến 50% tổng công suất tiêu thụ. Vì vậy, giải pháp kết nối hiệu quả năng lượng đang được đặc biệt quan tâm [6]. Một trong những giải pháp đáng chú ý nhất hiện nay cho vấn đề này là sử dụng công nghệ quang tử. Nội dung của luận văn tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, phát triển thiết kế một số thiết bị quang như bộ làm chậm, nhanh ánh sáng, bộ bù tán sắc, dần dần tiến đến thiết kế bộ xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các mạng thông tin băng rộng và tính toán hiệu năng cao trong tương lai. 1.2. Giải pháp kết nối quang trong hệ thống tính toán Để khắc phục những hạn chế của thiết bị điện tử, giải pháp công nghệ quang tử cho thay thế các liên kết điểm-điểm hoặc để thay thế cho toàn bộ kiến trúc chuyển mạch điện đã được nghiên cứu, đề xuất trong những năm qua. Hệ thống thông tin quang có ưu điểm là tiêu thụ công suất nhỏ, suy hao thấp, băng thông và tốc độ cao. Các tính năng đó làm cho các kết nối điểm-điểm dựa vào quang tử là một sự thay thế tuyệt vời so với kết nối qua cáp đồng hiện nay. Theo dự đoán, các kết nối trong miền quang sẽ thay thế các kết nối trong miền điện trong những năm tới. Trước tiên, chuyển mạch vẫn sẽ được thực hiện trong miền điện, dần dần việc xử lý thông tin, tính toán sẽ được chuyển sang miền quang nhờ sự phát triển của công nghệ vi mạch quang tử. Cấu trúc cơ bản của một đường truyền quang được chỉ ra ở Hình 1.9 [29]. Ở đây lấy ví dụ môi trường truyền dẫn dùng sợi quang. Trong các mạng quang trên chip thì ống dẫn sóng quang sẽ được sử dụng thay vì sợi quang. 8 Hình 1.9: Cấu trúc của một hệ thống quang điểm-điểm Để giảm thiểu những hạn chế chuyển mạch điện tử hiện nay như tốc độ chậm, suy hao cao, việc sử dụng các kết nối quang trong mạng đã được đề xuất bởi cộng đồng các nhà khoa học cũng như các tập đoàn hàng đầu thế giới như IBM, Intel [26][17]. Việc sử dụng kết nối quang đã chứng tỏ khả năng mở rộng (scale capacitiy) và băng thông, tốc độ cao hơn so với thiết bị chuyển mạch điện tử. Tuy nhiên, việc thiết kế các bộ kết nối toàn quang gặp phải thách thức là thiếu các bộ đệm, bộ nhớ, bộ trễ quang nhỏ gọn. Mạng kết nối quang tử trong hệ thống tính toán hiệu năng cao và các mạng băng rộng hiện tại vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Điều đặc biệt được quan tâm là việc làm thế nào để cải thiện hiệu quả năng lượng. Chiến lược khác nhau có thể được sử dụng như sự cô lập hoặc phối hợp để nâng cao hiệu quả năng lượng của các mạng kết nối quang tử. Lấy ví dụ việc thiết kế từng thiết bị quang và kết nối chúng thành hệ thống theo kiến trúc thích hợp có thể giảm đáng kể việc tiêu thụ năng lượng. Khi thiết kế một mạng kết nối quang, bước đầu tiên cho việc cải thiện hiệu suất năng lượng là phải chọn các thiết bị quang tiêu thụ ít công suất. Để đạt được mục tiêu này, các tham số phải tính đến là công nghệ chế tạo, vấn đề tối ưu hóa và tích hợp thiết bị, độ nhạy nhiệt, yêu cầu làm mát và chế độ hoạt động của thiết bị có trạng thái nghỉ hay không. Công nghệ được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang ảnh hưởng đến yêu cầu về công suất hoạt động. Tuy nhiên, các thiết bị điện tử cần thiết cho mạch điều khiển các thiết bị quang cũng có ảnh hưởng đến tiêu thụ công suất. Lấy ví dụ một bộ điều chế quang (optical modulator), chẳng hạn như bộ điều chế giao thoa MachZehnder (Mach-Zehnder modulator) yêu cầu bộ khuếch đại điện để cung cấp điện áp cần thiết cho hiệu ứng điện-quang xẩy ra. Các nguồn quang, khuếch đại quang 9