بخشی از مقاله
چکیده
با پیشرفت تکنولوژی و کوچکتر شدن روزافزون ترانزیستورها، امکان ایجاد سیستم در تراشه میسر گردید ولی پیش بینی شده است که این مقیاس پذیری ترانزیستورها، بطور چشم گیری کارایی معماریهای مبتنی برشبکه های روی تراشه را محدود کند و علت این محدودیت، مشکلاتی است که ارتباطات مسی به عنوان حامل سیگنالهای الکتریکی دارند، منجمله : حساسیت زیاد به نویز، تاخیر، محدودیت سرعت، مصرف پاور، قیمت بالا و... این مشکلات نیاز به تغییراتی درسختافزار شبکههای روی تراشه های آینده را ایجاب نموده است از این رو است که تحقیقات اخیر بر روی توسعه راه حل های جایگزین به جای اتصالات فلزی کنونی متمرکز شده است.از سویی پیشرفتهای اخیر تغییرات گسترده ای را نیز درمراکز داده ایی ایجاد نموده اند. پایگاههای داده به دلیل حجم بالای تبادل اطلاعات و محاسبات بسیار عظیم آنها، بسیار مورد توجه می باشند. در این تحقیق سعی بر آن است که سیستم های نوری، پایگاههای داده، راهگزینی های مداری و بسته ای در این سیستم ها مقایسه و روشهای پیشنهادی بررسی گردند.
کلید واژه - Silicon Photonic، Data Center ، Packet Switching ، Circuit Switching
-1 مقدمه
اگر بتوان به روشی دست یافت که به جای سیگنال الکتریکی، سیگنال نور میان تجهیزات شبکه تبادل شود و اطلاعات از جنس نور باشد، مشکلات موجود در شبکه های روی تراشه1 حل خواهند شد. یکی از راه حل های پیشنهادی سیلیکون فتونیک می باشد، از این رو است که شرکت های بزرگی همچون اینتل و IBM سالهاست که در این زمینه تحقیق و فعالیت می کنند.بطور خلاصه سیلیکون فتونیک، استفاده تراشه ها از اتصالات داخلی مبتنی بر نور به جای فلز یا الکترون و شبکه های میان ارتباطی مبتنی بر نور می باشد. سادهترین نتیجه این تغییراتافزایش پهنایباند، کاهش اتلاف توان مصرفی ، افزایش ساده سازی سیم کشی ها و از همه مهمتر سازگاری با CMOS است.
برپایه فناوری سیلیکون فتونیک میتوان اجزای یک تراشهCMOS، مانند مالتیپلکسرهای طول موج2 آشکارسازها، یکسوکنندها3 و اجزای دیگر را براساس فتونیک پیاده سازی کرد. و در کنار یکدیگر یکپارچه کرد. قابلیت اتصالات نوری برای کاهش توان مصرفی و افزایش کارایی، معماری جدیدی با عنوان شبکههای نوری روی تراشه پیشنهاد میکند که میتواند از مزایای سیگنالها و عناصرنوری در سطح تراشه برای انتقال اطلاعات استفاده کند.در سال های اخیر ایده ی استفاده از شبکه های نوری روی تراشه برای پیاده سازی شبکه های میان ارتباطی در سطح تراشه مطرح شده است.
مشکل اصلی در طراحی این شبکه ها، محدودیت های موجود برای پیاده سازی واحدهای پردازشی و ذخیره سازی سیگنال نوری به صورت فشرده و با ابعاد کم در سطح تراشه می باشد، برای رفع این مشکل در بیشتر معماریهای ارائه شده برای شبکه های نوری روی تراشه، از تراکنش های الکتریکی برای ایجاد مسیر نوری و انتقال سیگنال های کنترلی استفاده می کنند که این موضوع منجر به افزایش سربار تأخیر و توان مصرفی می گردد. با استفاده از قطعات نوری در یک تراشه میتوان کارایی پردازنده، حافظه و پهنایباند سیستم را افزایش داد که نتیجه آن دستیابی به کامپیوترهایی با سرعت بیشتر در پردازش و انتقال اطلاعات است.
چرا میگوییم در پردازش و انتقال اطلاعات سرعتهای بیشتری قابل استفاده است؟ چون یکی از بزرگترین معایب کابلهای فیبرنوری نیاز به انواع مبدلهای الکتریکی به نور یا نور به الکتریکی است. اطلاعات، سیگنالهایی الکتریکی هستند و بستر رسانای ما، نور، بنابراین نیاز به انواع رابطها و اجزای مبدل داریم که باعث تأخیر و کاهش سرعت و مشکلات دیگر میشوند. اگر ما بتوانیم کاری کنیم که در داخل خود دستگاهها یا در داخل تراشه های شبکه عملیات تبدیل و کار با سیگنالهای نور انجام شود از دست این کانکتورها و رابطهای زیاد در کابلهای فیبرنوری خلاص میشویم و میتوانیم تا حدود زیادی تأخیر را جبران کنیم. بنابراین، هدف تراشه های سیلیکون فتونیک، یکپارچهسازی تمامی اتصالات1 نوری درون یک تراشه CMOS سیلیکونی است. - Bert JanOffrein مدیر تحقیقات فتونیک آزمایشگاه شرکت آیبیام در زوریخ -
تحقیقات نشان داده است که سیلیکون نسبت به اشعه مادن قرمز نورگذران2 است یعنی میتواند نور را از خود عبور بدهد. بنابراین، می توان روی سیلیکون یک موجبر3 استفاده نمود. میتوان در میان لایههای سیلیکون نوارهای بسیار نازک در حد میکرومتر و شاید کمتر استفاده کرد که نور را منتقل و هدایت میکنند و هیچگونه مشکلی هم برای کارکرد سیلیکون به وجود نمیآورند. تراشه های سیلیکونفتونیک به جز تولید نور میتوانند تمام توابع مورد نیاز برای انتقال سیگنالهای نوری را انجام دهند، به همین دلیل لیزرهای نوری خارجی را روی تراشهها مونتاژ میکنند تا سیگنالهای نوری نیز با موجبرهای تعبیه شده درون تراشه همراه شوند.
در این فرآیند، پرتوهای لیزر، نور مورد نیاز درون تراشهها را تولید کرده و همانند یک سوئیچ شبکه، عملیات کنترل و مدیریت امواج نوری را برعهده دارند. انتقال و مسدود کردن امواج نوری نیز براساس ورودیهای الکتریکی انجام میشود. تراشههای سیلیکون فتونیک مزایای زیادی دارند که اگر شرکتها و صنعت شبکه متوجه آنها شوند، جهش بزرگی بهوجود خواهد آمد. مزیت اول این است که سرعت انتقال اطلاعات فقط با تغییر یک تراشه در شبکه میتواند به صدگیگابایت یا بیشتر برسد. در حال حاضر، برای دستیابی به این سرعت انتقال اطلاعات باید از انواع مسیریابها4 و سوئیچهای بزرگ و غولپیکر در کنار انواع کانکتورها و استانداردها استفاده کرد.
مزیت دوم تراشههای سیلیکون فتونیک، موجود بودن فناوری ساخت و تولید آنها به تعداد انبوه است.با توجه به گسترش روزافزون سیلیکون فتونیک، ارتباطات شبکهای، مسألهای غیر قابل انکار است و این ارتباط نیازمند بستری مطمئن و قابل اعتماد جهت تبادل اطلاعات است. برای این تبادل اطلاعات از انواع راهگزینی ها5 استفاده می شود. دو روش اصلی راهگزینی عبارتند از: راهگزینی مداری6 و راهگزینی بسته ای7، قبل از اینکه به این دو راهگزینی بپردازیم درمورد شبکه های روی تراشه بیشتر صحبت می کنیم.
-2 مکانیزمهای سنتی ارتباطات درون شبکه
سیستم های روی تراشه سنتی معمولا دارای مقیاسهای کوچک و شامل تعداد کمی عناصر پردازشی بودندو ارتباطات آنها با استفاده از دو نوع معماری نقطه به نقطه1 و خطی2 برقرار می شد.معماری نقطه به نقطه بهترین کارایی را از نظر توان مصرفی برای تعداد گره های کم دارد ولی مشکل اساسی آن عدم مقیاس پذیری و پیچیدگی طراحی برای نقاط زیاد است.معماری باس یعنی مبتنی بر گذرگاه، از یک کانال مشترک برای ارتباطات استفاده می نماید و مشکلات آن عدم مقیاس پذیری توان وکارایی آن است.مشکلات عدیده روشهای سنتی ارتباطی، محققان را بر آن داشت که به دنبال روش جایگزین برای ارتباطات درون شبکه باشند از این رو بود که ایده شبکه های روی تراشه مطرح گردید. معماری های مبتنی بر شبکه های روی تراشه میتوانند شامل دهها و صدها هسته همگن و یا نا همگن باشند. دراین شبکه ها هر گره به یک مسیر یاب متصل است و مسیریابها به صورت نقطه به نقطه به یکدیگر متصل هستند. مقیاس پذیری استفاده مجدد و پیش بینی پذیری از مزایای شبکه های روی تراشه می باشند.با طراحی شبکه های روی تراشه استفاده از الگوریتم های مسیر یابی امری ضروری است.[1]
-3 الگوریتم های مسیریابی3
حرکت بسته ها از مبدا به مقصد نیازمند مسیری است و این مسیر توسط الگوریتمهای مسیر یابی ایجاد میگردد. هدف الگوریتمهای مسیر یابی می تواند انتخاب کوتاهترین مسیر برای کاهش تاخیر، جلوگیری از بن بست و سرگردانی بسته ها، اجتناب از ازدحام، افزایش تحمل پذیری خطا و ... باشد.
-4 روش های راهگزینی
مسیر حرکت بسته از مبدا به مقصد را الگوریتمهای مسیریابی انجام می دهند ولی نحوه مواجه با بسته ها در هر مسیریاب و ذخیره سازی4 و ارسال به گره بعدی توسط راهگزینی انجام می شود.
روشهای راهگزینی عبارتند از راهگزینی بسته ای و راهگزینی مداری.
راهگزینی بسته ای: در این روش بسته های ارسالی ابتدا در گره های میانی ذخیره و سپس در صورت آزاد بودن مسیر خروجی و فضای کافی در مسیریاب همسایه، بسته ارسال میگردد. ذخیره بسته ها در مسیریابها نیاز به فضای بیشتر را ایجاب می کند و همچنین باعث ایجاد تاخیر می شود. برای حل این مشکل بسته ها را به برشهای کوچکتری5 تقسیم میکنند ولی در این روش نیز در صورت بروز ازدحام احتیاج به ذخیره سازی داریم و برای حل این مشکل نیز راه گزینی خزشی6 پیشنهاد می شود. روش سوم در راهگزینی بسته ای روش ذخیره و ارسال7 می باشد در این روش باید به انداره تمام قطعات8 یک بسته فضا باشد.
مشکلات اصلی برسرراه رسیدن بسته در راهگزینی بسته ای: سرگردانی:9 بسته هیچگاه به مقصد نمی رسد.گرسنگی:10 بسته همیشه در داوری ها برای گرفتن مسیر بازنده است.بن بست11 :یک سیکل از انتظارها12 و نگه داشتن ها13 می باشد.راهگزینی مداری: در این روش یک مسیر فیزیکی بین مبدا و مقصد برای انتقال داده رزرو می شود.مزایا : -1 تاخیر پایین -2 عدم وجود بن بست به دلیل رزرو مسیر - این روش احتیاج به روتینگ، ذخیره سازی، داوری وکنترل جریان14 ندارد - .معایب : -1 زمان ساخت یک مسیر - به دلیل اینکه برای ساخت یک مسیر نیاز به ارسال یک پیام به مقصد و پاسخ آن به مبدا است - -2 پایین بودن بهره وری منابع در این روش - پس از ساخت یک مسیر امکان ساخت مسیری دیگر از روی مسیر قبلی وجود ندارد - [2]
