Exploration architecturale et protocolaire pour les réseaux optiques sur puce 3D sous contraintes énergétiques

Architectural and protocol exploration for 3D optical network-on-chip

• Auteur / Autrice : Jiating Luo
• Direction : Daniel Chillet, Cédric Killian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 11/07/2018
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Chillet, Cédric Killian, Jean-Philippe Diguet, Laurent Vivien, Camel Tanougast
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Romain, Cécile Belleudy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage en longueur d'onde

Économies d'énergie

Systèmes sur puce

Multiprocesseurs

Mots clés libres

Réseau optique sur puce

Allocation de longueur d'onde

Efficacité énergétique

Crosstalk

Exploration de conception

Optical network-On-Chip

Wavelength allocation

Energy efficiency

Crosstalk noise

Design exploration

Résumé

Le système multiprocesseur sur puce (MPSoC) évolue vers l'intégration de centaines de coeurs sur une seule puce. La conception d'une interconnexion efficace pour des architectures aussi complexes est difficile en raison de l'échange de données toujours croissant entre les processeurs. Dans ce contexte, la photonique sur silicium est proposée comme une technologie émergente pour les futures interconnexions sur puce, offrant plusieurs avantages potentiels tels qu'une faible latence de transmission et une bande passante élevée. Les réseaux optiques sur puce (ONoC) sont basés sur des guides d'ondes, transportant des signaux optiques, et des dispositifs optiques permettant d'injecter ou de filtrer les signaux dans ce guide d'onde à partir d'une interface électrique. Le guide d'ondes peut prendre en charge plusieurs communications en même temps sur des longueurs d'onde différentes en utilisant le multiplexage en longueur d'onde (WDM), ce qui permet une augmentation significative de la bande passante. En outre, plus le nombre de signaux se propageant simultanément est élevé, plus le crosstalk est élevé et plus la puissance de sortie du laser est élevée. Cela conduit aux objectifs contradictoires suivants : pour obtenir une haute performance, il faut considérer une utilisation de plusieurs longueur d'onde tandis que la communication basse consommation préfère les canaux à faible bande passante, c'est à dire avec peu de longueur d'onde. La contribution principale dans cette thèse est d'allouer une ou un ensemble de longueurs d'onde pour chaque communication, en considérant conjointement la position la plus appropriée de chaque longueur d'onde réservée pour améliorer l'efficacité énergétique du réseau. Le problème d'allocation de longueur d'onde est résolu par une approche hors ligne et en ligne respectivement.

Evolution of Multi-Processor System-on-Chip (MPSoC) is moving towards the integration of hundreds of cores on a single chip. Designing an efficient interconnect for such complex architectures is challenging due to the ever growing data exchange between processors. In this context, silicon photonics is proposed as an emerging technology for future generation on-chip interconnects, providing several prospective advantages such as low transmission latency and high bandwidth. Optical Network-on-Chip (OnoC) are based on waveguides, carrying optical signals, and optical devices allowing to inject or drop the signals into this waveguide from an electrical interface. The waveguide can support multiple communications at the same time on different wavelengths by using Wavelength Division Multiplexing (WDM), providing a significant increase in bandwidth. However, simultaneous transmissions, on close adjacent wavelengths, may introduce inter-channel crosstalk noise through different optical switching elements within the network, which results in high Bit Error Ratio (BER). Besides, the higher the number of signals propagating simultaneously, the higher the crosstalk and the higher the laser output power needs. This leads to the following conflicting objectives: high-performance tends to rely on an exhaustive use of the wavelength while low-power communication prefers low bandwidth channel. The main contribution of this thesis is to allocate one or a set of wavelengths for each communication, jointly consider the most appropriate position of each reserved wavelength to improve network energy efficiency. The wavelength allocation issue is addressed by offline and online approach respectively.