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Theses Year : 2018

Architectural Exploration of Network Interface for Energy Efficient 3D Optical Network-on-Chip

Exploration architecturale des interfaces pour les réseaux optiques sur puce efficaces en énergie

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Abstract

In recent years, Optical Networks on Chip (ONoC) became an attractive solution to overcome the limitations of current electrical interconnects, thanks to their low power consumption, low latency, and high data bandwidth properties. However, the optical devices used to build ONoCs suffer from some imperfections which introduce losses during communications. Furthermore, Wavelength Division Multiplexing (WDM) technology can further help to improve ONoC’s bandwidth and latency. However, using WDM introduces new losses and crosstalk noises which negatively impact the Signal to Noise Ratio and therefore reduces energy efficiency of optical interconnects. To address these issues, we first provide a model of optical loss and crosstalk in WDM-based ONoC. We then propose a methodology to reduce the power consumption of optical interconnects relying on forward error correction (FEC). We present two case studies of lightweight FEC with low complexity and high error-correction and implement them on a 28nm FDSOI technology. Finally, we propose the complete design of the optical network interface (ONI) composed of allocation and FEC controller, serial to parallel converters, and laser power driver, which creates a runtime allocation management according to application performance and energy requirements.
Depuis quelques années, les réseaux optiques sur puce (ONoC) sont devenus une solution intéressante pour surpasser les limitations des interconnexions électriques, compte tenu de leurs caractéristiques attractives concernant la consommation d’énergie, le délai de transfert et la bande passante. Cependant, les éléments optiques nécessaires pour définir un tel réseau souffrent d’imperfections qui introduisent des pertes durant les communications. De plus, l'utilisation de la technique de multiplexage en longueurs d'ondes (WDM) permet d'augmenter les performances, mais introduit de nouvelles pertes et de la diaphonie entre les longueurs d'ondes, ce qui a pour effet de réduire le rapport signal sur bruit et donc la qualité de la communication. Les contributions présentées dans ce manuscrit adressent cette problématique d’amélioration de performance des liens optiques dans un ONoC. Pour cela, nous proposons tout d’abord un modèle analytique des pertes et de la diaphonie dans un réseau optique sur puce WDM. Nous proposons ensuite une méthodologie pour améliorer les performances globales du système s'appuyant sur l'utilisation de codes correcteurs d'erreurs. Nous présentons deux types de codes, le premier (Hamming) est d'une complexité d'implémentation faible alors que le second (Reed-Solomon) est plus complexe, mais offre un meilleur taux de correction. Nous avons implémenté des blocs matériels supportant ces corrections d'erreurs avec une technologie 28nm FDSOI. Finalement, nous proposons la définition d'une interface complète entre le domaine électrique et le domaine optique permettant d'allouer les longueurs d'ondes, de coder l'information, de sérialiser le flux de données et de contrôler le driver du laser pour obtenir la modulation à la puissance optique souhaitée.
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Dates and versions

tel-01956229 , version 1 (15-12-2018)

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  • HAL Id : tel-01956229 , version 1

Cite

Van-Dung Pham. Architectural Exploration of Network Interface for Energy Efficient 3D Optical Network-on-Chip. Embedded Systems. Université de rennes 1, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01956229⟩
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