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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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].