Luận văn thạc sĩ về ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong hệ thống thông tin quang

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu vnu uet nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số thiết kế thiết bị trong hệ thống thông tin, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Lê Duy Tiến
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Thanh Thủy
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong thiết kế thiết bị thông tin quang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI QUANG
• 1.1. Giải pháp kết nối quang trong hệ thống tính toán
• 1.2. Mạch quang tử silic
• 1.3. Phương pháp mô phỏng
• 1.4. LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH MẠCH QUANG TỬ
• 1.5. Kỹ thuật DSP ứng dụng trong mạch quang tử
• 1.6. Cực và không (Poles and zeros)
• 1.7. Biểu diễn tín hiệu quang trong miền z
• 1.8. Trễ nhóm và tán sắc
• 1.9. Bộ ghép có hướng
• 1.10. Cấu trúc giao thoa đa mode
• 1.11. Ống dẫn sóng phẳng
• 1.12. Cấu trúc giao thoa đa mode MMI
• 1.13. Thiết bị giao thoa GI-MMI
• 1.14. Thiết bị giao thoa RI-MMI
• 1.15. Thiết bị giao thoa SI-MMI
• 1.16. Mô tả bộ ghép giao thoa đa mode bằng ma trận
• 1.17. Bộ vi cộng hưởng
• 1.18. Cấu trúc vi cộng hưởng dùng MMI
• 1.19. Ứng dụng của bộ vi cộng hưởng
• 1.20. Biểu diễn bộ vi cộng hưởng trong miền z
• 1.21. THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CHỨC NĂNG
• 1.22. Bộ ánh sáng nhanh và chậm
• 1.23. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động
• 1.24. Kết quả mô phỏng và thảo luận
• 1.25. Bộ bù tán sắc
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong thiết kế thiết bị thông tin quang đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ thông tin hiện đại. Việc áp dụng các phương pháp xử lý tín hiệu số giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các thiết bị thông tin quang. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc tích hợp công nghệ quang học với xử lý tín hiệu số có thể tạo ra những bước tiến vượt bậc trong việc phát triển các hệ thống thông tin băng rộng.

1.1. Khái niệm và vai trò của kỹ thuật xử lý tín hiệu số

Kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, giúp chuyển đổi và phân tích các tín hiệu trong miền số. DSP đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa các thiết bị thông tin quang, từ việc giảm thiểu nhiễu đến cải thiện chất lượng tín hiệu.

1.2. Lịch sử phát triển của công nghệ thông tin quang

Công nghệ thông tin quang đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ những ngày đầu sử dụng sợi quang đơn giản đến các hệ thống phức tạp hiện nay. Sự phát triển này không thể tách rời khỏi sự tiến bộ của kỹ thuật xử lý tín hiệu số, giúp nâng cao khả năng truyền tải và xử lý thông tin.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế thiết bị thông tin quang

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong thiết kế thiết bị thông tin quang, vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như độ trễ tín hiệu, suy hao quang và khả năng tương thích giữa các thiết bị là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc tìm ra giải pháp cho những vấn đề này là rất cần thiết để phát triển các thiết bị thông tin quang hiệu quả hơn.

2.1. Độ trễ và suy hao trong hệ thống thông tin quang

Độ trễ và suy hao là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống thông tin quang. Việc giảm thiểu độ trễ và suy hao là một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế thiết bị quang, đòi hỏi sự kết hợp giữa kỹ thuật xử lý tín hiệu số và công nghệ quang học.

2.2. Khả năng tương thích giữa các thiết bị quang

Khả năng tương thích giữa các thiết bị quang là một vấn đề quan trọng trong việc phát triển hệ thống thông tin quang. Các thiết bị cần phải hoạt động đồng bộ và hiệu quả với nhau để đảm bảo chất lượng tín hiệu và hiệu suất hệ thống.

III. Phương pháp giải quyết vấn đề trong thiết kế thiết bị thông tin quang

Để giải quyết các vấn đề trong thiết kế thiết bị thông tin quang, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng mô hình hóa tín hiệu, phân tích tán sắc và bù tán sắc. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

3.1. Mô hình hóa tín hiệu trong thiết kế quang

Mô hình hóa tín hiệu là một công cụ quan trọng trong việc thiết kế các thiết bị thông tin quang. Nó cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị trước khi sản xuất thực tế.

3.2. Phân tích tán sắc và bù tán sắc

Phân tích tán sắc giúp xác định cách mà tín hiệu quang bị biến dạng trong quá trình truyền tải. Bù tán sắc là một giải pháp hiệu quả để khắc phục vấn đề này, đảm bảo tín hiệu đến đích một cách chính xác và nhanh chóng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong thiết bị thông tin quang

Kỹ thuật xử lý tín hiệu số đã được áp dụng rộng rãi trong thiết kế các thiết bị thông tin quang. Các ứng dụng này không chỉ giới hạn trong lĩnh vực truyền thông mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác như y tế, quân sự và công nghiệp. Việc áp dụng DSP giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị thông tin quang.

4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực truyền thông

Trong lĩnh vực truyền thông, kỹ thuật xử lý tín hiệu số giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng cường khả năng truyền tải thông tin qua các kênh quang. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống băng rộng hiện đại.

4.2. Ứng dụng trong y tế và quân sự

Kỹ thuật xử lý tín hiệu số cũng được áp dụng trong y tế và quân sự, nơi mà độ chính xác và độ tin cậy của thông tin là rất quan trọng. Các thiết bị quang sử dụng DSP có thể giúp cải thiện khả năng chẩn đoán và giám sát trong y tế.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong thiết kế thiết bị thông tin quang đang mở ra nhiều cơ hội mới cho sự phát triển công nghệ. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại những giải pháp sáng tạo và hiệu quả hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về thông tin và truyền thông.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ quang trong tương lai

Xu hướng phát triển công nghệ quang trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu mới sẽ tiếp tục khám phá các ứng dụng mới của kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong thiết kế thiết bị quang.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu liên ngành

Nghiên cứu liên ngành giữa công nghệ quang học và xử lý tín hiệu số sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị thông tin quang tiên tiến. Sự kết hợp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vi mạch và nhu cầu xử lý thông tin tốc độ cao, các hệ thống tính toán hiệu năng cao đang đối mặt với giới hạn về băng thông và tiêu thụ năng lượng của các kết nối điện tử truyền thống. Theo ước tính, băng thông của giao diện bộ nhớ DDR4 SDRAM có thể đạt tới 266 Gbps, trong khi các hệ thống server thương mại có thể đạt 2560 Gbps. Tuy nhiên, các kết nối điện tử hiện tại chịu hạn chế lớn về công suất tiêu thụ và tỏa nhiệt, trong đó gần 50% công suất tiêu thụ trong hệ thống đa lõi là do dây dẫn điện. Do đó, công nghệ kết nối quang với ưu điểm băng thông cao, tốc độ nhanh và tiêu thụ công suất thấp được xem là giải pháp thay thế tiềm năng cho các hệ thống tính toán hiện đại.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số, đặc biệt là biến đổi z trong miền quang, nhằm thiết kế các thiết bị chức năng quang tích hợp trên nền silic. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế và mô phỏng các thiết bị như bộ vi cộng hưởng, bộ giao thoa đa mode, bộ ghép có hướng và các cấu trúc tạo ánh sáng nhanh và chậm, phục vụ cho hệ thống thông tin quang băng rộng và tính toán hiệu năng cao. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn đến năm 2014 tại Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, với mục tiêu nâng cao hiệu quả năng lượng và băng thông trong các mạng kết nối quang.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc đề xuất các cấu trúc thiết bị quang có khả năng tích hợp cao, tiêu thụ công suất thấp và băng thông rộng, góp phần thúc đẩy phát triển các hệ thống tính toán toàn quang trong tương lai, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về tốc độ và hiệu suất xử lý thông tin.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) và lý thuyết mạch quang tử. Trong đó, biến đổi z (Z-Transform) là công cụ trung tâm để phân tích và thiết kế các mạch quang tử, cho phép biểu diễn các thiết bị quang trong miền z, tương tự như trong xử lý tín hiệu số. Các khái niệm chính bao gồm:

• Biến đổi z và hàm truyền H(z): Dùng để mô tả đáp ứng của hệ thống quang tử, bao gồm các cực và không (poles and zeros) ảnh hưởng đến đặc tính truyền dẫn và trễ nhóm.
• Cấu trúc giao thoa đa mode (MMI): Sử dụng nguyên lý tự tạo ảnh trong ống dẫn sóng phẳng đa mode để thiết kế các bộ ghép quang đa cổng với các cơ chế giao thoa tổng quát (GI), giới hạn (RI) và đối xứng (SI).
• Bộ vi cộng hưởng (Microring Resonator - MRR): Thiết bị quang đa năng với kích thước nhỏ, được mô tả bằng ma trận truyền dẫn, có thể điều chỉnh hệ số ghép và suy hao để tạo ra các bộ lọc, chuyển mạch và bộ trễ quang.
• Phương pháp mô phỏng Beam Propagation Method (BPM): Phương pháp số giải phương trình Maxwell để mô phỏng đặc tính truyền sóng trong các thiết bị quang tích hợp.

Các khái niệm này được kết hợp để thiết kế và phân tích các thiết bị quang trên nền silic SOI (Silicon on Insulator), tận dụng ưu điểm về chiết suất cao, khả năng tích hợp và chế tạo hàng loạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các mô hình lý thuyết, phương trình Maxwell, và các kết quả mô phỏng số bằng phương pháp BPM. Cỡ mẫu nghiên cứu là các cấu trúc thiết bị quang tích hợp với kích thước micromet, được mô phỏng chi tiết để đánh giá đặc tính truyền dẫn, trễ nhóm, và suy hao.

Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các cấu trúc thiết bị quang tiêu biểu như bộ ghép MMI 4x4, bộ vi cộng hưởng 2x2 MMI, và các cấu trúc vòng Sagnac để tạo ánh sáng nhanh và chậm. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích BPM là do khả năng mô phỏng chính xác trường điện từ trong môi trường chiết suất phân bố phức tạp, phù hợp với thiết kế vi mạch quang tích hợp.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn đến năm 2014, bao gồm tổng quan lý thuyết, phát triển mô hình, mô phỏng thiết kế và thảo luận kết quả. Các bước nghiên cứu được thực hiện tuần tự nhằm đảm bảo tính hệ thống và khả năng ứng dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế bộ vi cộng hưởng 2x2 MMI độc lập:
   Hai bộ vi cộng hưởng hoạt động độc lập trong cấu trúc 4x4 MMI cho phép tạo ra đồng thời hai bộ lọc quang với hệ số ghép công suất điều chỉnh được. Kết quả mô phỏng cho thấy suy hao bộ ghép khoảng 0,35 dB cho mỗi bộ ghép 3dB 2x2 MMI, và tổng suy hao 0,7 dB khi kết nối thành bộ ghép 4x4 MMI.

2. Tạo ánh sáng nhanh và chậm đồng thời:
   Cấu trúc sử dụng vòng Sagnac kết hợp với bộ vi cộng hưởng cho phép tăng cường hoặc làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng. Trễ nhóm được tăng gấp đôi do tín hiệu đi qua bộ vi cộng hưởng hai lần. Mô phỏng BPM cho thấy khả năng điều chỉnh trễ nhóm thông qua hệ số ghép và pha di động, với trễ nhóm có thể đạt giá trị dương hoặc âm, tương ứng với làm chậm hoặc làm nhanh ánh sáng.

3. Hiệu quả năng lượng và băng thông:
   Các thiết bị quang tích hợp trên nền silic SOI có kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp và băng thông rộng, phù hợp cho các hệ thống tính toán hiệu năng cao. So với kết nối điện truyền thống, công nghệ quang tử giảm tiêu thụ năng lượng tới 90% trong các kết nối chip-to-chip và trên chip.

4. Mô phỏng BPM chính xác và hiệu quả:
   Phương pháp BPM được chứng minh là công cụ hiệu quả để mô phỏng các thiết bị quang tích hợp, cho phép tính toán trường điện từ, suy hao và pha tín hiệu với độ chính xác cao. Ví dụ, mô phỏng bộ ghép 4x4 MMI cho thấy tín hiệu truyền dẫn ổn định với suy hao thấp và phân bố công suất đồng đều tại các cổng ra.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc tận dụng đặc tính chiết suất cao của vật liệu silic SOI và cấu trúc giao thoa đa mode để điều khiển tín hiệu quang chính xác. Việc sử dụng biến đổi z trong miền quang giúp phân tích và thiết kế các mạch quang tử phức tạp một cách hệ thống, tương tự như trong xử lý tín hiệu số.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, cấu trúc thiết kế trong luận văn có ưu điểm về khả năng tích hợp cao và điều chỉnh linh hoạt hệ số ghép, cho phép ứng dụng trong nhiều thiết bị chức năng như bộ trễ, bộ nhớ quang và bộ xử lý tín hiệu quang. Các kết quả mô phỏng BPM phù hợp với các kết quả thực nghiệm trong tài liệu tham khảo, khẳng định tính khả thi của thiết kế.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc mở rộng khả năng thiết kế các thiết bị quang tích hợp trên nền silic, góp phần phát triển các hệ thống tính toán toàn quang với băng thông rộng và tiêu thụ năng lượng thấp, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công nghệ thông tin hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển bộ nhớ và bộ đệm quang:
   Thiết kế và tích hợp các bộ nhớ quang và bộ đệm dựa trên cấu trúc vi cộng hưởng và giao thoa đa mode để nâng cao hiệu suất lưu trữ và xử lý dữ liệu trong hệ thống tính toán hiệu năng cao. Thời gian thực hiện dự kiến trong 2-3 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về quang tử silic đảm nhiệm.

2. Tối ưu hóa hệ số ghép và suy hao:
   Nghiên cứu sâu hơn về điều chỉnh hệ số ghép trong bộ vi cộng hưởng và bộ ghép MMI nhằm giảm thiểu suy hao và tăng hệ số chất lượng Q, từ đó cải thiện hiệu suất thiết bị. Khuyến nghị áp dụng các kỹ thuật điều khiển pha và vật liệu mới trong vòng 1-2 năm.

3. Mở rộng ứng dụng trong xử lý tín hiệu toàn quang:
   Thiết kế các bộ xử lý tín hiệu quang tích hợp, bao gồm bộ lọc, chuyển mạch và logic quang, sử dụng các cấu trúc đã phát triển để phục vụ các mạng thông tin băng rộng và tính toán song song. Thời gian nghiên cứu và phát triển khoảng 3-4 năm, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu công nghệ cao.

4. Nâng cao khả năng tích hợp CMOS-quang:
   Tăng cường tích hợp các thiết bị quang trên nền CMOS để giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi thương mại. Đề xuất hợp tác với các nhà sản xuất chip và viện nghiên cứu vật liệu để phát triển công nghệ trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư công nghệ quang tử:
   Có thể ứng dụng các lý thuyết và thiết kế trong luận văn để phát triển các thiết bị quang tích hợp mới, nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng trong hệ thống quang.

2. Chuyên gia phát triển hệ thống tính toán hiệu năng cao:
   Sử dụng các giải pháp kết nối quang và thiết bị xử lý tín hiệu quang để cải thiện băng thông và giảm độ trễ trong các hệ thống đa lõi và trung tâm dữ liệu.

3. Doanh nghiệp sản xuất vi mạch và thiết bị quang:
   Áp dụng công nghệ quang tử silic và các cấu trúc thiết bị được thiết kế để phát triển sản phẩm mới, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Giảng viên và sinh viên ngành công nghệ thông tin, quang học:
   Tham khảo luận văn để hiểu sâu về ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số trong thiết kế thiết bị quang, phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Biến đổi z được ứng dụng như thế nào trong thiết kế thiết bị quang?
   Biến đổi z cho phép biểu diễn các mạch quang tử dưới dạng hàm truyền trong miền z, giúp phân tích cực và không của hệ thống, từ đó thiết kế các bộ vi cộng hưởng, bộ ghép và bộ lọc quang chính xác hơn.

2. Ưu điểm của công nghệ quang tử silic so với các vật liệu khác là gì?
   Silic có trữ lượng cao, dễ chế tạo hàng loạt bằng công nghệ CMOS hiện đại, cho phép tích hợp cao, kích thước nhỏ và tiêu thụ công suất thấp, phù hợp cho các thiết bị quang tích hợp trên chip.

3. Phương pháp BPM có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   BPM là phương pháp mô phỏng số giải phương trình Maxwell, giúp tính toán trường điện từ và đặc tính truyền dẫn trong các thiết bị quang tích hợp, từ đó đánh giá hiệu suất và tối ưu thiết kế.

4. Cấu trúc giao thoa đa mode MMI hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   MMI hoạt động dựa trên nguyên lý tự tạo ảnh trong ống dẫn sóng đa mode, tạo ra các ảnh tín hiệu tại các vị trí xác định, cho phép thiết kế bộ ghép đa cổng với đặc tính truyền dẫn ổn định.

5. Làm thế nào để tạo ra ánh sáng nhanh và chậm trong thiết bị quang?
   Bằng cách sử dụng cấu trúc vi cộng hưởng kết hợp với vòng Sagnac và điều chỉnh hệ số ghép, thiết bị có thể điều khiển trễ nhóm ánh sáng, tạo ra hiện tượng làm nhanh hoặc làm chậm ánh sáng mà không vi phạm nguyên lý vật lý.

Kết luận

• Luận văn đã ứng dụng thành công kỹ thuật xử lý tín hiệu số, đặc biệt biến đổi z, trong phân tích và thiết kế các thiết bị quang tích hợp trên nền silic SOI.
• Thiết kế bộ vi cộng hưởng và bộ giao thoa đa mode 4x4 MMI cho phép tạo ra các thiết bị chức năng như ánh sáng nhanh và chậm, bộ bù tán sắc với hiệu suất cao và tiêu thụ công suất thấp.
• Phương pháp mô phỏng BPM được sử dụng hiệu quả để đánh giá đặc tính truyền dẫn, trễ nhóm và suy hao của các thiết bị, đảm bảo tính chính xác và khả thi trong thực tế.
• Nghiên cứu góp phần mở rộng khả năng phát triển các hệ thống tính toán toàn quang với băng thông rộng và hiệu quả năng lượng cao, đáp ứng nhu cầu công nghệ hiện đại.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào thiết kế bộ nhớ quang, bộ đệm quang và bộ xử lý tín hiệu toàn quang, đồng thời nâng cao tích hợp CMOS-quang để thương mại hóa sản phẩm.

Để tiếp tục phát triển lĩnh vực này, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng các kết quả và phương pháp trong luận văn, đồng thời hợp tác đa ngành để thúc đẩy công nghệ quang tử silic trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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. 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.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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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, chip- to-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. 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.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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: 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.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. 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thể được thay thế bằng các đường kết nối quang như 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 2025.7: 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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].