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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêutrong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trìnhnào khác, trừ những chỗ đã ghi chú, trích dẫn tham khảo

Tác giả

Lê Duy Tiến

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

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

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

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 vàλ 41

3.11 Kết quả mô phỏng pha tín hiệu ra WMMI vàλ 42

3.12 Trễ nhóm thay đổi theo hệ số ghépκ1 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 ghépκethay đổi được 45

3.15 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghépκethay đổi được dùng MZI 46

3.16 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghépκethay 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

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)

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)

MỞ ĐẦU

Trong quá trình nghiên cứu, triển khai và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhậnđược rất nhiều sự giúp đỡ, động viên quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoahọc và bạn bè đồng nghiệp Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đếnGiáo 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 thànhluận văn

Tôi cũng xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô trong Trường Đại học Côngnghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, giúp đỡ cho tôi trong quá trình họctập và nghiên cứu Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp trongTrường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong họctập và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn này Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâusắc đến các thầy, cô phản biện đã đọc góp ý, sửa chữa, đánh giá cho bản luận vănđược hoàn thiện

Cuối cùng, tôi cũng xin được cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp, gia đình đã cộngtác góp ý trao đổi để tôi có điều kiện hoàn thành kết quả nghiên cứu của mình Dovấn đề nghiên cứu có tính liên ngành, là vấn đề mới, đang phát triển và do kiếnthức còn hạn chế và thời gian có hạn nên chắc rằng không tránh khỏi thiếu sót Tácgiả mong rằng sẽ nhận được nhiều sự quan tâm góp ý của các thầy, cô, các bạn bèđồng nghiệp trong và ngoài Trường để cho luận văn được hoàn thiện hơn và tiếptục được mở rộng nghiên cứu với những kết quả thu được trong giai đoạn sau này

Tác giả

Lê Duy Tiến

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 Luậnvăn 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 kếmột 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 lýthuyết kỹ thuật xử lý tín hiệu số ứng dụng trong phân tích, thiết kế thiết bị trongmiền 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 sửdụng cấu trúc giao thoa đa mode 4x4 MMI và cấu trúc bù tán sắc có thể điều chỉnhđược 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 dụngtrong các hệ thống tính toán hiệu năng cao, yêu cầu băng thông rộng, tốc độ cao

Tác giả

Lê Duy Tiến

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 hợptăng 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 ràngcần 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

không chỉ cho phép phục hồi nhanh chóng các thông tin được lưu trữ cho ngườidùng kết nối Internet, mà còn có thể hỗ trợ các ứng dụng tiên tiến (như điện toánđám 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 mởrộng 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 giaodiện bộ nhớ thế hệ mới DDR4 SDRAM sẽ có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu 266Gbps 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 đangxẩy ra (Hình1.2) [9] Để đáp ứng được các yêu cầu này, tốc độ tín hiệu điện phảiđược cải thiện, nhưng vướng phải công suất phát cao, tiêu thụ công suất lớn và giáthành đóng gói, chế tạo cao Theo dự đoán, chỉ có công nghệ quang và xử lý tínhiệu quang mới đáp ứng được các yêu cầu về băng thông cao, tốc độ lớn, công suấttiêu thụ và giá thành chế tạo nhỏ

Trong nhiều thập kỷ qua đã có các tiến bộ đáng kể trong công nghệ chế tạo vimạch, dẫn đến khả năng tính toán ngày càng cao, kích thước nhỏ, tích hợp đượcnhiều chức năng trên một chip Từ đó đã có những cải thiện trong hầu hết cáckhía 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

truyền thông điệp MP (Message Passing model)đang nổi lên như là sự lựa chọnthích 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 tăngđáng 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 kéotheo việc tăng băng thông truyền dẫn giữa các chip và các board Sự chênh lệchtrong 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 nốioff-chip, bộ nhớ và cổng vào/ra được tham khảo IRTS (International TechnologyRoadmap 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 sẽđược cải thiện 4 lần Khi tốc độ đồng hồ tăng đến hàng GHz, các tín hiệu điện vàkết nối điện sẽ là trở ngại lớn trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao ở cả mứcchip-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 lõikhác, nó gửi gói dữ liệu tới mặt phẳng quang, khi đó tín hiệu được chuyển đổi từđiện thành tín hiệu quang dùng bộ điều chế quang Gói dữ liệu quang sau đó sẽđược định tuyến qua mạng quang trên chip để tới đích dùng các bộ chuyển mạchquang băng rộng Ở phía thu, dữ liệu gói quang lại được chuyển trở lại tín hiệu điện

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 mộtmạng truyền dẫn quang trên chip để thiết lập đường truyền giữa hai mạng Lúc nàysợi quang đơn mode có thể được sử dụng làm đường truyền Khái niệm trên đượcminh 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

Hình 1.5 mô phỏng kết quả công suất tiêu thụ ở các đường kết nối điện 2, 4, 6, 8Gbps và đường kết nối quang 4 Gbps Công suất của các kết nối điện tăng theochiều dài và tốc độ bit vì có suy hao lớn hơn và vì vậy sẽ hạn chế các hệ thống tínhtoán 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 thốngnhiều 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 1/2tổng công suất tiêu thụ trong các hệ thống này là ở dây dẫn (electrical wiring) chứkhông phải là ở các tranzito [27] Theo dự đoán, công suất tính toán của CPU (tínhbằng FLOPS-FLoating point Operations Per Second) vẫn tăng theo hàm mũ như ởHình 1.7 Đối với các hệ thống dây dẫn điện, các tụ điện và điện trở trên đường dâytạo 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 miềnquang 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

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 chipquang cùng với số tranzito trên một chip điện tử [28] Như vậy định luật Mooretrong 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 năm2025

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 trênnhiều bộ vi xử lý khác nhau, dẫn đến việc giảm thời gian thực hiện và tăng hiệu

quả sử dụng Để có được lợi thế này, các hệ thống máy tính phải được kết nốithông qua một mạng kết nối dung lượng cao Trong các hệ thống hiện tại, xử lýsong 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 lạcbao gồm thiết bị chuyển mạch điện thường dựa trên Ethernet (cho chi phí thấp vàtính 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 nềntảng tính toán nổi bật nhất là trung tâm dữ liệu và các siêu máy tính đã trở nên mờnhạt 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 năngcao chuyển từ các nút tính toán sang hạ tầng thông tin, truyền dẫn Khi quy môtính toán tăng như tăng số lượng máy chủ và khả năng tính toán, các yêu cầu vềthông lượng cao và độ trễ thấp khó được đảm bảo và khó đạt được hơn Hiện naycác chuyển mạch dựa trên điện bị giới hạn về băng thông, tốc độ và số lượng cổngvào-ra Để giải quyết vấn đề này, hai hay nhiều mức kết nối được thiết lập để đảmbảo các server có thể kết nối đầy đủ với nhau.Tuy nhiên, tín hiệu truyền theo haihướng nên vẫn bị hạn chế về băng thông Vì vậy, để đáp ứng các điều kiện tiênquyết về băng thông và độ trễ trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao thì việctìm ra giải pháp mới cho vấn đề này là cần thiết

Việc tăng quy mô của các hệ thống tính toán cũng gây ra sự tăng đáng kể trong tiêuthụ điện năng Hiện nay, tiêu thụ điện năng của hệ thống tính toán lớn đang giatăng với tốc độ hàng năm khoảng 15% đến 20 % cho các trung tâm dữ liệu và lênđến 50% cho các siêu máy tính Theo các nghiên cứu gần đây, tổng công suất tiêuthụ của các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới đã tương đương mức tiêu thụ điệnnăng 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 lượngtổng thể giả định rằng có sử dụng đầy đủ các máy chủ Tuy nhiên, giả định này khóxẩy ra trong hệ thống tính toán hiện nay vì máy chủ thường được dự phòng Khixem xét các cải thiện gần đây trong việc thiết kế máy chủ để giảm tiêu thụ nănglượng, tiêu thụ công suất mạng đạt đến 50% tổng công suất tiêu thụ Vì vậy, giảipháp 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 dụngcông nghệ quang tử Nội dung của luận văn tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, pháttriển thiết kế một số thiết bị quang như bộ làm chậm, nhanh ánh sáng, bộ bù tánsắc, dần dần tiến đến thiết kế bộ xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các mạngthông 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 tửcho thay thế các liên kết điểm-điểm hoặc để thay thế cho toàn bộ kiến trúc chuyểnmạch điện đã được nghiên cứu, đề xuất trong những năm qua Hệ thống thông tinquang có ưu điểm là tiêu thụ công suất nhỏ, suy hao thấp, băng thông và tốc độcao Các tính năng đó làm cho các kết nối điểm-điểm dựa vào quang tử là một sựthay thế tuyệt vời so với kết nối qua cáp đồng hiện nay Theo dự đoán, các kết nốitrong 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 côngnghệ vi mạch quang tử

Cấu trúc cơ bản của một đường truyền quang được chỉ ra ở Hình 1.9 [29] Ở đâylấy ví dụ môi trường truyền dẫn dùng sợi quang Trong các mạng quang trên chipthì ống dẫn sóng quang sẽ được sử dụng thay vì sợi quang

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 bởicộng 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 (scalecapacitiy) và băng thông, tốc độ cao hơn so với thiết bị chuyển mạch điện tử Tuynhiên, việc thiết kế các bộ kết nối toàn quang gặp phải thách thức là thiếu các bộđệm, bộ nhớ, bộ trễ quang nhỏ gọn

Mạng kết nối quang tử trong hệ thống tính toán hiệu năng cao và các mạng băngrộng hiện tại vẫn còn ở giai đoạn sơ khai Điều đặc biệt được quan tâm là việc làmthế nào để cải thiện hiệu quả năng lượng Chiến lược khác nhau có thể được sửdụng như sự cô lập hoặc phối hợp để nâng cao hiệu quả năng lượng của các mạngkết 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 suấtnăng lượng là phải chọn các thiết bị quang tiêu thụ ít công suất Để đạt được mụctiêu này, các tham số phải tính đến là công nghệ chế tạo, vấn đề tối ưu hóa và tíchhợp thiết bị, độ nhạy nhiệt, yêu cầu làm mát và chế độ hoạt động của thiết bị cótrạng thái nghỉ hay không

Công nghệ được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang ảnh hưởng đến yêu cầu vềcông suất hoạt động Tuy nhiên, các thiết bị điện tử cần thiết cho mạch điều khiểncác thiết bị quang cũng có ảnh hưởng đến tiêu thụ công suất Lấy ví dụ một bộđiều chế quang (optical modulator), chẳng hạn như bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder (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

cũng yêu cầu mạch điện tử để cung cấp hệ số khuếch đại quang tương ứng Cuốicùng ở bộ thu quang (các photodiode) cũng cần các bộ khuếch đại điện và bộ sosánh Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, việc tiêu thụ năng lượng của các thiết bịđiện tử cũng gần như tương đương việc tiêu thụ năng lượng của các thiết bị quangtrong các kiến trúc mạng quang đa tầng.

Tuy nhiên, với các giải pháp tiên tiến trong công nghệ chế tạo CMOS hiện nay,các thiết bị quang có thể được chế tạo cùng với các mạch điện tử trên cùng mộtchip duy nhất Do vậy, công suất tiêu thụ có thể được cải thiện đáng kể Với cácthiết bị quang tích cực như bộ điều chế, khuếch đại, bộ tách sóng và các thiết bịthụ động như bộ lọc, ghép, đường dây trễ đều cần thiết trong mạng kết nối quang.Công nghệ CMOS có nhiều ưu điểm, cho phép chế tạo thiết bị với suy hao thấp,

có khả năng tích hợp cao, chế tạo hàng loạt với giá thành rẻ

Nhóm nghiên cứu quang tử silic của IBM lần đầu tiên đã công bố một kết quảquan trọng trong ứng dụng của quang tử nano nền silic, sử dụng ánh sáng thay thếcho các sợi đồng cho việc truyền tải thông tin trong các "não" của một con chip[14] Đây được coi là một bước ngoặt quan trọng trong tiến trình hình thành cácsiêu máy tính trong tương lai Ưu điểm của công nghệ này là tiêu thụ ít công suất,khả năng tính toán cao

Kết quả được công bố trên tạp chí Optics Express [14], một trong những tạp chíhàng đầu của Mỹ, nhóm tác giả tại IBM đã chế tạo thiết bị trên nền silic, cho phéptruyền tải thông tin tốc độ cao giữa các lõi của chip bằng cách sử dụng các xungánh sáng thay thế cho các tín hiệu điện trong dây dẫn đồng thông thường

Bộ điều chế quang của IBM có chức năng biến đổi một tín hiệu điện số trên mộtdây dẫn sang một chuỗi các xung ánh sáng, để lưu thông và xử lý trong một đườngdẫn sóng quang nano trên nền silic Hoạt động của bộ điều chế này được minhhọa trên Hình 1.10 Đầu tiên, một nguồn quang laser (màu đỏ) chiếu vào bộ điềuchế quang Bộ điều chế quang (hộp màu đen với nhãn hiệu IBM) thực tế là một

"chuyển mạch đóng mở" rất nhanh để điều khiển tín hiệu laser, hoặc chặn tín hiệunguồn, hoặc cho nó truyền qua đường dẫn sóng đầu ra Khi một tín hiệu điện làxung (được mã hóa bằng số "1" hay bit 1, màu vàng) đến từ bên trái bộ điều chỉnh,một xung ánh sáng ngắn được phép đi qua tới bộ điều chế quang đầu ra bên phải.Ngược lại, nếu không có xung điện tại bộ điều chỉnh (được mã hóa bằng số "0"hay bit 0), bộ điều chỉnh này sẽ ngăn ánh sáng, không cho chúng đi tới được đầu

ra Với cách xử lý này, thiết bị đã "điều chỉnh" cường độ của tia laser đầu vào vàbiến các tín hiệu điện số (1 và 0) thành các xung ánh sáng.

Hình 1.10: Bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM

Bộ điều chế được các nhà nghiên cứu sử dụng đó là bộ giao thoa Mach Zehndertrên nền silic, để biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu xung ánh sáng Điều đángchú ý là bộ điều chế này có kích thước nhỏ hơn 100 lần (và có khả năng thu nhỏhơn tới 1000 lần) so với các thiết bị điều chế hiện tại Việc tạo ra tín hiệu lasertrên nền silic là vô cùng khó vì silic có cấu trúc vùng năng lượng khác so với cácloại vật liệu tạo laser khác Do đó, đây cũng là thiết bị sau cùng trong hệ thốngtích hợp cần được silic hóa, để xây dựng một chíp hoàn toàn trên nền silic Côngnghệ quang tử silic hiện đang là một ứng cử viên sáng giá, so với các công nghệ sửdụng các vật liệu khác như Germanium, hay Gallium Arsenide, Cadmium Sulfide

sẽ tiêu hao năng lượng ít hơn, bảo mật hơn, đồng thời tăng dung lượng truyền tảithông tin giữa các lõi lên tới hàng trăm lần so với phương pháp dây dẫn hiện tại

Bộ điều chế quang của IBM sử dụng các đường dẫn sóng quang nano silic để

điều khiển nguồn sáng trên một chip silic Các tín hiệu điện sẽ được truyền vàocác đường dẫn sóng nano silic tạo bởi lớp bán dẫn dạng chuyển tiếp (p+)-(i)-(n+)thông qua các cực điện (màu vàng) như được chỉ ra ở Hình 1.11 Các điện tích (lỗtrống -các hạt màu xanh và electron-các hạt màu đỏ ) vào trong các đường dẫn vàthay đổi đặc tính quang học của silic.

Hình 1.11: Cấu trúc bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM

Hiện tại, các nhà nghiên cứu tại IBM và các trường đại học đang tập trung vàothiết kế các thiết bị quang tiêu thụ công suất thấp, có khả năng tích hợp cao, ứngdụng mạng kết nối quang giữa các chip và trên chip [2]

Một trong số các chip mạnh nhất của IBM, đó là bộ xử lý Cell chứa 9 lõi trongmột chip Công nghệ mới này sẽ hướng tới một phương pháp công suất-hiệu quả

để có thể liên thông hàng trăm đến hàng nghìn các lõi trong một chíp nhỏ và thaythế hoàn toán các dây dẫn Sử dụng ánh sáng thay cho dây dẫn để truyền thông tingiữa các lõi sẽ tăng tốc độ lên tới 100 lần, trong khi chỉ tiêu hao 1/10 năng lượng

so với kỹ thuật dây dẫn đương thời

Ống dẫn sóng (waveguide) được tạo bởi các sợi silic (màu tím ) với chiều 200lần nhỏ hơn so với sợi tóc của con người, trên một đế cách điện silic Ánh sáng

sẽ được truyền dẫn trong các đường dẫn quang nano silic theo nguyên lý phản xạtoàn phần, như trên Hình 1.11 Ánh sáng được tập trung trong ống dẫn sóng quanggiúp cho bộ điều chế quang có kích thước giảm một cách rõ rệt so với công nghệhiện tại [2]

Đây là mô hình đề xuất thực hiện đường dẫn hoàn toàn bằng quang học với N kênh,mỗi kênh có khả năng truyền tải tốc độ 10Gbps N kênh đầu tiên được tách kênhtheo phương pháp phân chia bước sóng trong mạch quang tử (Wavelength Division

Multiplexing), sau đó được sắp xếp và đảo qua bộ điều chỉnh quang học và đượcghép kênh trở lại bằng bộ ghép kênh bước sóng Nguồn dữ liệu có thể được đệmtrong một đường làm chậm quang học nếu cần thiết Các kênh được điều khiểncùng với bộ cảm quang Ge tích hợp Các mạch logic CMOS sẽ thực hiện quá trình

xử lý thông tin Các chân điện nối chíp quang điện với các chíp khác thông quacác tín hiệu điện

1.3 Mạch quang tử silic

Các hệ thống vật liệu quang được sử dụng trong vi mạch quang tích hợp có thể là

các hợp chất bán dẫn, LiNbO3,SiO2, polyme, Si, Mỗi hệ thống vật liệu có ưu vànhược điểm riêng của nó Trong luận văn này, vật liệu silic trên đế SOI (silicon oninsulator) được sử dụng Đặc điểm của vật liệu SOI là có độ tương phản chiết suấtlớn, nên cho phép kích thước thiết bị giảm xuống cỡ µm Hơn nữa hiệu ứng quangđiện và plasma có thể được sử dụng trong vật liệu này để tạo ra các thiết bị quangtích cực như điều chế, chuyển mạch với công suất thấp và tốc độ cao Nhược điểmcủa thiết bị là vì có kích thước nhỏ nên khó ghép với hệ thống thông tin quanghiện thời với sợi quang cỡ 10µm Tuy nhiên, nhược điểm này hiện nay không còn

là vấn đề khi mà dùng bộ ghép cách tử Bragg có thể ghép đến trên 90% công suấtvào ống dẫn sóng SOI tích hợp quang

Công nghệ quang tử silic được lựa chọn trong thiết kế cảm biến bởi vì nó có thể ápdụng công nghệ chế tạo CMOS hiện thời với giá thành rẻ và dễ dàng với chế tạohàng loạt Công nghệ cho phép chế tạo thiết bị có kích thước nhỏ, khả năng tíchhợp cao và đa năng Ống dẫn sóng SOI sử dụng silic làm đế và lõi ống dẫn sóng

Độ tương phản chiết suất của lõi và võ ống dẫn sóng rất cao Chiết suất của Si là

n Si = 3, 45 và của SiO2là n SiO2 = 1, 45 cho phép bán kính ống dẫn sóng vòng nhỏ.Hơn nữa, công nghệ SOI cho phép tích hợp thiết bị quang tử và điện tử một cách

dễ dàng Do vậy, đây có thể nói là công nghệ của tương lai

Có hai cấu trúc ống dẫn sóng SOI cơ bản là cấu trúc rib và cấu trúc kênh như chỉ

ra trên Hình 1.12 dưới đây Cả hai cấu trúc này có ưu và nhược điểm riêng Để đạtđược cơ chế hoạt động đơn mode, cấu trúc kênh SOI phải có kích thước nhỏ Điềunày có thể gây ra suy hao truyền dẫn tăng và khó ghép tín hiệu với hệ thống thôngtin quang hiện tại Ngược lại, cấu trúc rib có kích thước lớn hơn và dễ dàng ghép

với hệ thống hiện tại hơn, nhưng kích thước của thiết bị và mạch lại tăng.

Hình 1.12: Cấu trúc ống dẫn sóng Silic (a) cấu trúc kênh và (b) cấu trúc rib

1.4 Phương pháp mô phỏng

Mô phỏng thiết bị quang tích hợp dẫn tới yêu cầu giải phương trình Maxwell bằng

số Có hai phương pháp tiếp cận cơ bản để tiếp cận giải phương trình Maxwell: tiếpcận giải trực tiếp trong miền thời gian và tiếp cận giải trong miền tấn số dùng biếnđổi Fourier [20] Trong đó, BPM (Beam propagation method) là một trong nhữngphương pháp mạnh, được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả nhất để giải phương trìnhMaxwell bằng số cho mô phỏng đặc tính truyền dẫn sóng trong các thiết bị quangtích hợp

Trong phần này sẽ mô tả vắn tắt một số nội dung cơ bản nhất của phương pháp

Cụ thể hơn về phương pháp BPM và các kỹ thuật tiên tiến khác áp dụng cho BPMxin xem thêm tài liệu tham khảo [16]

Giả sử một tín hiệu đơn tần phụ thuộc thời gian t, truyền dẫn trong môi trường chiết

suất phân bố đều theo hướng truyền dẫn, có dạng e jωt Phương trình Maxwell viếtcho tín hiệu này là [20]:

trong đó, −→E và −→H là vectơ trường điện và từ,ε0là hằng số điện môi của môi trườngtruyền sóng

Từ đó, phương trình truyền sóng được viết lại như sau:

Hay có thể viết dưới dạng:

∇(∇· ~E) −∇2~E = n2k2~E (1.4)Với

E u (x, y, z) = F u (x, y, z)e − j ¯nkz (1.8)

Ở đây n là hằng số được chọn bất kỳ, thể hiện sự thay đổi pha trung bình của trường

trong môi trường truyền sóng và u ký hiệu thay cho x hoặc y

Ý tưởng cơ bản của BPM là giả sử rằng trường biến đổi chậm, tức là bỏ qua thànhphần vi phân bậc hai của theo hướng truyền và ta có:

Hình 1.13: Ví dụ mô phỏng MZI dùng phương pháp BPM

1.5 Kết luận

Chương 1 trình bày các khái niệm cơ bản về kết nối quang tử trong hệ thống tínhtoán hiệu năng cao, trong đó phân tích các ưu, nhược điểm và xu hướng tất yếucủa việc sử dụng kết nối quang trong các hệ thống thông tin băng rộng cũng nhưcác hệ thống tính toán hiệu năng cao Phương pháp mô phỏng số BPM kết hợp với

kỹ thuật xử lý tín hiệu số sẽ được sử dụng để mô phỏng thiết bị trong chương tiếptheo

2.1 Kỹ thuật DSP ứng dụng trong mạch quang tử

Kỹ thuật xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) , tập trung vào công cụbiến đổi z (ZT- Z Transform) để phân tích các mạch quang tử được đề xuất lần đầutiên bởi Moleshi và đồng nghiệp [3] Sau đó kỹ thuật này đã được phát triển đểphân tích các mạch quang phức tạp, gồm cả các thiết bị vi cộng hưởng [25] Luậnvăn sẽ sử dụng công cụ biến đổi z để phân tích một vài mạch quang tử, ứng dụngtrong các hệ thống thông tin và kết nối quang băng rộng và trong các hệ thống tínhtoán hiệu năng cao

2.1.1 Biến đổi z

Biến đổi z là một công cụ quan trọng trong kỹ thuật xử lý tín hiệu số và tín hiệurời rạc Biến đổi z của một chuỗi tín hiệu rời rạc trong miền thời gian h(n) đượcđịnh nghĩa như sau [32]:

H (z) =

+ ∞

∑

Trong miền thời gian, khi tín hiệu vào x(n), đi qua hệ thống có đáp ứng xung h(n),

đáp ứng ra y(n) của hệ thống được tính theo quan hệ tích chập (convolution) là:

2.1.2 Cực và không (Poles and zeros)

Hệ thống tuyến tính bất biến được đặc trưng bởi phương trình sai phân:

Điểm không là các điểm mà tại đó tử số của H(z) nhận giá trị không, tức H(z)=0:

z = z i Điểm cực là điểm mà tại mẫu số của H(z) nhận giá trị không: z = p j

2.1.3 Biểu diễn tín hiệu quang trong miền z

Xét một ống dẫn sóng (tín hiệu quang) với tham số suy hao γ và pha φ như Hình

2.1 Thay đổi về biên độ và pha của tín hiệu là do truyền dẫn qua ống dẫn sóng

chiều dài L Hàm truyền của ống dẫn sóng có thể được viết dưới dạng sau:

H = E out

Trong đó, E in và E out là trường quang tín hiệu vào và ra của ống dẫn sóng Tham

số pha của cấu trúc này có thể viết z−1 = e − jφ Do vậy, với τ = n g L

c , hàm truyềncủa hệ thống trên được viết dưới dạng

H = E out

Trong đó, τ, n g , L và c lần lượt là độ trễ, vận tốc nhóm của tín hiệu, chiều dài ống

dẫn sóng và vận tốc ánh sáng

Hình 2.1: Tín hiệu quang truyền qua ống dẫn sóng thẳng

Áp dụng nguyên tắc trên, đối với cấu trúc vi mạch quang bất kỳ, chúng ta đều cóthể biểu diễn trong miền z

2.1.4 Trễ nhóm và tán sắc

Từ biến đổi z, có thể biểu diễn hàm truyền của hệ thống trong miền tần số như sau:

H (e jω) = H(z)| z =e jω = |H(e jω)|exp{ jarg(H(e jω))} (2.10)

Trong đó, |H(e jω)| là hàm truyền biên độ vàφ(e jω) = arg(H(e jω)) là hàm truyền

pha của H(e jω).

Trong hệ thống truyền dẫn quang, không những biên độ của hàm truyền quan trọng

mà pha của hàm truyền cũng quan trọng Nó có ảnh hưởng lên băng thông và độdãn xung quang Trễ nhóm tuyệt đối của hệ thống được định nghĩa là:

Trong đó, τ là trễ nhóm chuẩn hóa, τn = −dφ(ΩΩ), Ω là tần số góc chuẩn hóa,

Ω=ωτ Tức trễ là vi phân của pha tại tần số cần tính Trong kỹ thuật phân tíchmạch quang tử dùng biến đổi z, người ta còn định nghĩa tần số chuẩn hóa ν = fτ,

Hình 2.2: Cấu trúc hai ống dẫn sóng đầu vào và ra

Giả sử công suất tín hiệu vào bộ ghép đi từ bên trái (P1), công suất ra là P2, P 3 sẽ

phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai ống dẫn sóng s, chiều dài Z c Hình 2.3 môphỏng tín hiệu truyền qua bộ ghép dùng phương pháp mô phỏng số BPM Ta thấy

rằng, bằng cách chọn chiều dài thích hợp, công suất ra P2 và P3 có thể được chọnbất kỳ

Hình 2.3: Mô phỏng BPM tín hiệu trong bộ ghép song song

Một bộ ghép có hướng Hình 2.2 có thể được mô hình hóa bằng cấu trúc trên Hình2.4 với các hệ số ghépκ và hệ số suy haoγ Bộ ghép này được đặc trưng bằng matrận:

Trong trường hợp không có suy hao thì γ = 1 Như vậy tín hiệu vào và ra có quan

hệ với nhau qua phương trình: