Towards Optical Communication in Parallel Computing (Kohti optista kommunikaatiota rinnakkaislaskennassa), Kyo:n julkaisuja H 4

Honkanen Risto (FL) 24.11.2006\nInformaatioteknologian ja kauppatieteiden tiedekunta\nTietojenkäsittelytiede\nTowards Optical Communication in Parallel Computing (Kohti optista kommunikaatiota rinnakkaislaskennassa)\n\nVastaväittäjät: Dosentti Martti Forsell, VTT ja professori Erkki Mäkinen, Tampereen yliopisto\nKustos: Professori Martti Penttonen, Kuopion yliopisto\n\nVäitöskirjan tiivistelmä:\n\nOptisen kommunikaation avulla lisää tehoa rinnakkaislaskentaan\n\nLaskennan nopeus tietokoneissa – ja rinnakkaistietokoneissa erityisesti – riippuu paitsi prosessorien nopeudesta, myös muistijärjestelmän nopeudesta ja prosessorien välisen tiedonsiirtoverkon kyvystä siirtää laskentaan tarvittavaa tietoa oikeaan aikaan oikeaan paikkaan. Väitöskirjassa tarkastellaan mahdollisuuksia rakentaa tehokas, pakettikytkentäinen ja optinen tiedonsiirtoverkko rinnakkaistietokoneelle.\nRinnakkaislaskenta – luonnollinen tapa laskea\n\nEnsimmäiset tietokoneet sisälsivät prosessorillaan yhden laskentayksikön, joka suoritti yhden laskentaoperaation kerrallaan siirtyen tämän jälkeen suorittamaan seuraavaa. Pian ruvettiin kuitenkin pohtimaan, kuinka laskentaa voitaisiin tehostaa. Ratkaisuja olivat laskentaoperaatioiden pilkkominen pienempiin osiin ja osien ratkaiseminen liukuhihnatusti sekä useiden laskentayksikköjen liittäminen samaan prosessoriin. Näitä voidaan verrata esimerkiksi autotehtaaseen, jossa on useita valmistuslinjoja. Kullakin valmistuslinjalla kukin työntekijä – samanaikaisesti – tekee pienen osan työstä ja siirtää aihion seuraavan työntekijän käsiteltäväksi. Toisaalta prosessorien nopeutta on pyritty lisäämään kasvattamalla niiden kellotaajuutta. Komponenttien pakkaustiheyden kasvu ja kellotaajuuden lisääminen on johtanut kuitenkin esimerkiksi prosessorien kasvaneisiin lämpöongelmiin.\n\nUseat laskentatehtävät voidaan jakaa pienempiin, helpommin ratkaistaviin osaongelmiin, laskea osaongelmien ratkaisut yksittäisissä prosessoreissa ja koota osaongelmien ratkaisuista alkuperäisen tehtävän ratkaisu. Eräs tällainen on esimerkiksi sääennusteiden laskeminen. Tehtävän jakaminen usean prosessorin laskettavaksi vaatii kuitenkin hyvin usein runsaasti tiedonsiirtoa prosessorien kesken. Prosessorien välisen pakettikytkentäisen tiedonsiirtoverkon tehokas toteutus onkin tärkeää, jottei siitä muodostuisi pullonkaulaa laskennalle.\nOptisen tiedonsiirron mahdollisuudet ja toteutuksen vaikeudet\n\nOptinen tiedonsiirto tarjoaa monia etuja sähköiseen vastineeseensa verrattuna. Näitä ovat muun muassa hyvä häiriönsietokyky, pieni signaalin vaimeneminen tiedon siirron aikana ja mahdollisuus siirtää useita signaaleja samaa siirtolinjaa pitkin. Nämä mahdollistavat halpojen ja suurikapasiteettisten runkoverkkojen rakentamisen esimerkiksi Internet-liikennettä varten.\n\nVaikeutena optisessa tiedonsiirrossa on kuitenkin tiedon ohjaus eteenpäin siirtolinjojen kytkentäpisteissä. Optisen paketin osoitetiedon tulkinta ja ohjauspäätöksen tekeminen optisessa muodossa on edelleen vaikeaa. Ongelma voidaan välttää joko muuntamalla osoitetieto sähköiseen muotoon tai päättämällä etukäteen kuinka signaalit ohjataan kytkentäpisteiden yli. Kumpikin tapa on kuitenkin varsin hidas.\n\nOhjauspäätösten hitaudesta on haittaa erityisesti toteutettaessa rinnakkaistietokoneen kommunikaatioverkkoa, jossa halutaan välittää runsaasti pieniä datapaketteja verkon yli. Väitöskirjan yhtenä tarkoituksena oli tutkia nopean optisen osoitteentunnistuksen ja pakettikytkentäisyyden toteutusmahdollisuuksia.\nKohti optista kommunikaatiota rinnakkaislaskennassa\n\nVäitöskirjassa tarkastellaan helposti ohjelmoitavan, mutta fyysisesti vaikeasti toteutettavan rinnakkaislaskennan mallin – PRAM-mallin – jäljittelyä fyysisesti toteutettavissa olevilla rinnakkaistietokoneilla. Jäljittelyn tehokas toteutus vaatii tiedonsiirtoverkolta kykyä siirtää samanaikaisesti suuri määrä paketteja ilman verkon tukkeutumista.\n\nTyössä esitellään yleisimmät optoelektroniset komponentit ja olemassa olevat optiset verkkoratkaisut kirjallisuuteen perustuen. Tämän jälkeen käydään lyhyesti läpi rinnakkaistietokoneiden luokittelua ja PRAM-mallin jäljittelyä näissä. Työn loppuosa sisältää tutkimustyön tuloksena syntyneiden tehokkaiden, rinnakkaistietokoneisiin soveltuvien optisten pakettikytkentäisten kommunikaatioverkkojen esittelyä.\n\nVerkkojen toiminta perustuu niiden säännölliseen rakenteeseen, jolloin pakettien osoitetiedon tulkintaan ja ohjauspäätöksen tekoon kuluva aika saatiin useimmissa tapauksissa minimoitua. Toisaalta rakenteen säännöllisyys mahdollisti kaikissa rakenteissa sähköisten osoitetiedon tulkintakomponenttien poiston kokonaan. Työ avasi useita tutkimusideoita, joita seuraten voitaneen kehittää jo esiteltyjä tehokkaampia optisia verkkoratkaisuja.\n\nKuopion yliopiston julkaisuja H. Informaatioteknologia ja kauppatieteet. ISBN 951-781-983-8\nKuopion yliopisto\nViestintä\ntiedotus@uku.fi

ISBN-10:
951-781-983-8
Kieli:
eng
Sivumäärä:
80 s.
Tekijät:
Honkanen Risto(diss)
Tuotekoodi 020244
25,00 €