Parallele Digitale Optische Recheneinheiten: Modellierung, Simulation Und Bewertung

ISBN-13: 9783519022930 / Niemiecki / Miękka / 1994 / 296 str.

Dietmar Fey

Opis

Es ist sicher kein Zufall, daK dieses Werk vomehmlich in Erlangen entstand, wo Informatiker und Optiker seit vielen jahren zusammenarbeiten, u. a. in einem Sonderforschungsbereich der DFG. Diese Wechselwirkung war notwendig, urn die erzielten Ergebnisse erreichen und auch verstandlich darstellen zu k6nnen. Verstandlich bedeutet hier: fur beide Disziplinen, denn die Symbiose von Informatik und Optik ist es, auf der die Hoffnung beruht, die Leistungsfahigkeit von Parallel-Rechnem wesentlich steigem zu k6nnen. Warum die Symbiose? 1m Rechner werden Daten verknfipft und Daten werden transportiert. Die Verknupfung geschieht in Transistoren. Zwar gibt es so etwas wie einen optischen Transistor, aber mit einem Preis LeistungsverhaItnis, das urn mehrere Gr6Renordnungen schlechter ist als beim elektronischen Transistor. Aber fur den Transport von Daten sind Photonen La. bedeutend besser geeignet als Elektronen. Das hangt jedoch von der Lange der Strecke ab, was man historisch belegen kann. Zuerst haben die Photonen die Elektronen bei den ganz langen Strecken fiber den Atlantik verdrangt. In den LANs (local area networks) ist der Trend zugunsten der Photonen nicht zu fibersehen. Zwischen einzelnen Prozessoren benutzt man schon optische Fasem. Die optische Technologie fUr den Board-zu-Board-Verkehr wartet auf ihren Einsatz. Bald danach wird man Optik fUr Chip-zu-Chip Verbindungen benutzen. Dagegen wird man den on-chip-Verkehr vermutlich noch lange per Elektronik erledigen. 6 Geleitwort Die Situation laE. t sich durch eine Parabel veranschaulichen. Elektronen sind wie Eisenbahnzuge, die sich - durch Schienen gefuhrt - auf einer Ebene bewegen. Die Photonen sind dagegen wie Flugzeuge, die ungebunden den drei-dimensionalen Raum durcheilen.

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Motivation.- 1.2 Definition digitale Optik und Stand der Technik.- 1.3 Entwicklung der digitalen Optik im historischen Kontext.- 1.4 Kapitelübersicht.- 2 Grundlagen.- 2.1 optische Grundlagen 2.- 2.1.1 Reflexion.- 2.1.2 Brechung.- 2.1.3 Interferenz 2.- 2.1.4 Polarisation.- 2.2 Grundlagen der digitalen Optik.- 2.2.1 Bauelemente der optischen Nachrichtenübertragung.- 2.2.2 Komponenten zur optischen Informationsverarbeitung.- 2.3 Grundlagen der Parallelverarbeitung 5.- 2.3.1 Klassifikation von Parallelrechnem nach Flynn 5.- 2.3.2 Struktur von Parallelrechnern.- 2.4 Ansatzpunkte für den Einsatz der digitalen Optik.- 2.4.1 Quantitativer Einfluß der Zeitbandbreite.- 2.4.2 Quantitativer Einfluß der Ortsbandbreite.- 3 Architekturkonzepte der digitalen Optik.- 3.1 Mustersubstitutionslogik.- 3.2 Programmierbare optische Logikfelder.- 3.3 Programmierbare optoelektronische Logikfelder.- 3.3.1 Formaler Aufbau eines Prozessorelementes.- 3.3.2 Programmierung eines Prozessorelementes.- 3.3.3 Parallelisierungsgrad der Prozessorelemente in Abhängigkeit verschiedener möglicher Implementierungen.- 4 Abstraktionsmodell für den Entwurf digitaler optischer Systeme.- 5 Modelle für optoelektronische Systeme auf Bauteileebene.- 5.1 Die Modellierungssprache MAST.- 5.1.1 Aufbau eines MAST-Templates.- 5.2 Modell einer optoelektronischen Punkt-zu -Punkt - Verbindung.- 5.2.1 Modellierung der optischen Übertragung durch Verbindungsknoten.- 5.2.2 Modellierung der optischen Übertragung durch Referenzvariablen.- 5.3 Modellierung optoelektronischer Systeme mit SPICE.- 5.4 Grenzen bei der Modellierung zweidimensionaler optischer Abbildungen.- 6 Modellierung digitaler optischer Systeme auf Logikebene.- 6.1 Rechnerentwurfssprachen für optische 3D-Architekturen.- 6.2 Die Rechnerentwurfssprache HADLOP.- 6.2.1 Die Sprachelemente von HADLOP.- 6.2.2 Beschreibung digitaler optischer Architekturen mit HADLOP.- 6.2.3 Simulation optischer Architekturen.- 6.2.4 Bewertung digitaler optischer Architekturen.- 6.3 Anwendungen von HADLOP.- 6.3.1 Vergleich optischer und optoelektronischer Addierer.- 6.3.2 Modellierung optischer Verbindungsnetzwerke für Parallelrechner.- 7 Modellierung digitaler optischer Systeme auf Register-Transfer -Ebene.- 7.1 Bit-orientierte systolische Arrays.- 7.1.1 Definition und Funktion systolischer Arrays.- 7.1.2 Bedeutung systolischer Arrays für die digitale Optik.- 7.2 Formale Beschreibung systoüscher Arrays.- 7.2.1 Formale Darstellung der Funktion einer systoUschen Zelle.- 7.2.2 Formale Beschreibung der Struktur eines systolischen Arrays.- 7.3 Computational Origami.- 7.3.1 Beschreibung von Computational Origami.- 7.3.2 Verhältnis systolischer Arrays zu Computational Origami.- 7.4 Exkurs: Zelluläre Automaten.- 8 Übergang von der Register-Transfer-Ebene zur Logikebene.- 8.1 Transformation systolischer Arrays in ein HADLOP-Modell.- 8.1.1 Transformation einer systolischen Zelle.- 8.1.2 Transformation der Struktur eines systolischen Arrays.- 8.2 Transformation eines systolischen Arrays für Ganzzahlenarithmetik.- 8.2.1 Aufbau und Funktionsweise des Arrays.- 8.2.2 Ableitung in eine optoelektronische POELA-Architektur.- 9 Bewertung massiv paralleler optischer Feldrechnerkonzepte.- 9.1 Bewertung des systolischen Arithmetikarrays.- 9.2 Optischer Feldrechner auf der Basis von Mustersubstitutionslogik 2.- 9.2.1 Aufbau der Architektur.- 9.2.2 Simulation und Bewertung des Prozessorfeldes mit HADLOP.- 9.3 Untersuchung eines optischen Rechenwerks für die CM-1 auf der Basis programmierbarer optischer Logikfelder.- 9.3.1 Aufbau des zur CM-1-ALU äquivalenten optischen Rechenwerks.- 9.3.2 Simulationsergebnisse.- 9.4 Eine optoelektronische Feldrechnerarchitektur auf der Basis von Bitalgorithmen.- 9.4.1 Bitalgorithmen.- 9.4.2 Aufbau der optoelektronischen 3 D-Parallelarchitektur.- 9.4.3 Leistungsbewertung.- 10 Zusammenfassung und Ausblick.- 10.1 Zusammenfassung.- 10.1.1 Konzept für ein Entwurfssystem der digitalen Optik.- 10.1.2 Bewertung von Architekturen der digitalen Optik.- 10.2 Ausblick.- Anhang A MAST-Templates.- Anhang B Chomsky-Grammatik für den HADLOP-Systemcode.- Anhang C Spezifikation der Module des optoelektronischen Feldrechnerkonzepts.