Reconfigurable computing architecture exploration using silicon photonics technology

par Zhen Li

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser

Sous la direction de Ian O'Connor.

Soutenue le 28-01-2015

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut des nanotechnologies de Lyon - Site d'Ecully / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Jacques-Olivier Klein.

Le jury était composé de Ian O'Connor, Sébastien Le Beux, Christelle Monat, Xavier Letartre, Yannick Dumeige.

Les rapporteurs étaient Lionel Torres, Peter Bienstman.

  • Titre traduit

    Architecture de calcul reconfigurable en exploitant la technologie photonique sur silicium


  • Résumé

    Les progrès dans la fabrication des systèmes de calcul reconfigurables de type « Field Programmable Gate Arrays » (FPGA) s’appuient sur la technologie CMOS, ce qui engendre une consommation des puces élevée. Des nouveaux paradigmes de calcul sont désormais nécessaires pour remplacer les architectures de calcul traditionnel ayant une faible performance et une haute consommation énergétique. En particulier, optique intégré pourrait offrir des solutions intéressantes. Beaucoup de travail sont déjà adressées à l’utilisation d’interconnexion optique pour relaxer les contraintes intrinsèques d’interconnexion électronique. Dans ce contexte, nous proposons une nouvelle architecture de calcul reconfigurable optique, la « optical lookup table » (OLUT), qui est une implémentation optique de la lookup table (LUT). Elle améliore significativement la latence et la consommation énergétique par rapport aux architectures de calcul d’optique actuelles tel que RDL (« reconfigurable directed logic »), en utilisant le spectre de la lumière au travers de la technologie WDM. Nous proposons une méthodologie de conception multi-niveaux permettant l'explorer l’espace de conception et ainsi de réduire la consommation énergétique tout en garantissant une fiabilité élevée des calculs (BER~10-18). Les résultats indiquent que l’OLUT permet une consommation inférieure à 100fJ/opération logique, ce qui répondait en partie aux besoins d’un FPGA tout-optique à l’avenir.


  • Résumé

    Advances in the design of high performance silicon chips for reconfigurable computing, i.e. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), rely on CMOS technology and are essentially limited by energy dissipation. New design paradigms are mandatory to replace traditional, slow and power consuming, electronic computing architectures. Integrated optics, in particular, could offer attractive solutions. Many related works already addressed the use of optical on-chip interconnects to help overcome the technology limitations of electrical interconnects. Integrated silicon photonics also has the potential for realizing high performance computing architectures. In this context, we present an energy-efficient on-chip reconfigurable photonic logic architecture, the so-called OLUT, which is an optical core implementation of a lookup table. It offers significant improvement in latency and power consumption with respect to optical directed logic architectures, through allowing the use of wavelength division multiplexing (WDM) for computation parallelism. We proposed a multi-level modeling approach based on the design space exploration that elucidates the optical device characteristics needed to produce a computing architecture with high computation reliability (BER~10-18) and low energy dissipation. Analytical results demonstrate the potential of the resulting OLUT implementation to reach <100 fJ/bit per logic operation, which may meet future demands for on-chip optical FPGAs.


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  • Détails : 1 vol. (xxxvii-147 p.)

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