Towards efficient and reconfigurable next-generation optical fronthaul networks for massive MIMO

This paper summaries our recent research on digital radio over fibre (DRoF) based optical fronthaul links and experimentally demonstrates a novel last-mile wireless coverage system incorporating data compression, time-division multiplexing (TDM) based packetization, and wavelength division multiplexing (WDM) based optical transmission. Compression reduces the fronthaul data rate required per service by a factor of 3 when compared with the common public radio interface (CPRI) standard, enabling efficient radio resource distribution over optical fibre infrastructure. The new packetization mechanism and WDM architecture enable fully reconfigurable resource allocation in a fronthaul network for 20MHz-bandwidth RF inputs with 64x64 MIMO carried over an aggregated compressed optical data rate of 32Gbps using 4 wavelengths. The experimental results show over 40dB RF dynamic range with < 8% error value magnitude (EVM) for the 64 quadrature amplitude modulation (64-QAM) input signals across all the WDM channels while the lowest EVM is less than 2%. Meanwhile, this field-programmable gate array (FPGA) based DRoF system allows flexible, software definable and easy-scalable dynamic antenna resource allocatio

On-Chip Optical Interconnection Networks for Multi/Manycore Architectures

The rapid development of multi/manycore technologies offers the opportunity for highly parallel architectures implemented on a single chip. While the first, low-parallelism multicore products have been based on simple interconnection structures (single bus, very simple crossbar), the emerging highly parallel architectures will require complex, limited-degree interconnection networks. This thesis studies this trend according to the general theory of interconnection structures for parallel machines, and investigates some solutions in terms of performance, cost, fault-tolerance, and run-time support to shared-memory and/or message passing programming mechanisms

Photonic Interconnection Networks for Exascale Computers

[ES] En los últimos años, distintos proyectos alrededor del mundo se han centrado en el diseño de supercomputadores capaces de alcanzar la meta de la computación a exascala, con el objetivo de soportar la ejecución de aplicaciones de gran importancia para la sociedad en diversos campos como el de la salud, la inteligencia artificial, etc. Teniendo en cuenta la creciente tendencia de la potencia computacional en cada generación de supercomputadores, este objetivo se prevee accesible en los próximos años. Alcanzar esta meta requiere abordar diversos retos en el diseño y desarrollo del sistema. Uno de los principales es conseguir unas comunicaciones rápidas y eficientes entre el inmenso número de nodos de computo y los sitemas de memoria. La tecnología fotónica proporciona ciertas ventajas frente a las redes eléctricas, como un mayor ancho de banda en los enlaces, un mayor paralelismo a nivel de comunicaciones gracias al DWDM o una mejor gestión del cableado gracias a su reducido tamaño. En la tesis se ha desarrollado un estudio de viabilidad y desarrollo de redes de interconexión haciendo uso de la tecnología fotónica para los futuros sistemas a exaescala dentro del proyecto europeo ExaNeSt. En primer lugar, se ha realizado un análisis y caracterización de aplicaciones exaescala. Este análisis se ha utilizado para conocer el comportamiento y requisitos de red que presentan las aplicaciones, y con ello guiarnos en el diseño de la red del sistema. El análisis considera tres parámetros: la distribución de mensajes en base a su tamaño y su tipo, el consumo de ancho de banda requerido a lo largo de la ejecución y la matriz de comunicación espacial entre los nodos. El estudio revela la necesidad de una red eficiente y rápida, debido a que la mayoría de las comunaciones se realizan en burst y con mensajes de un tamaño medio inferior a 50KB. A continuación, la tesis se centra en identificar los principales elementos que diferencian las redes fotónicas de las eléctricas. Identificamos una secuencia de pasos en el diseño de un simulador, ya sea haciéndolo desde cero con tecnología fotónica o adaptando un simulador de redes eléctricas existente para modelar la fotónica. Después se han realizado dos estudios de rendimiento y comparativas entre las actuales redes eléctricas y distintas configuraciones de redes fotónicas utilizando topologías clásicas. En el primer estudio, realizado tanto con tráfico sintético como con trazas de ExaNeSt en un toro, fat tree y dragonfly, se observa como la tecnología fotónica supone una clara mejora respecto a la eléctrica. Además, el estudio muestra que el parámetro que más afecta al rendimiento es el ancho de banda del canal fotónico. El segundo estudio muestra el comportamiento y rendimiento de aplicaciones reales en simulaciones a gran escala en una topología jellyfish. En este estudio se confirman las conclusiones obtenidas en el anterior, revelando además que la tecnología fotónica permite reducir la complejidad de algunas topologías, y por ende, el coste de la red. En los estudios realizados se ha observado una baja utilización de la red debido a que las topologías utilizadas para redes eléctricas no aprovechan las características que proporciona la tecnología fotónica. Por ello, se ha propuesto Segment Switching, una estrategia de conmutación orientada a reducir la longitud de las rutas mediante el uso de buffers intermedios. Los resultados experimentales muestran que cada topología tiene sus propios requerimientos. En el caso del toro, el mayor rendimiento se obtiene con un mayor número de buffers en la red. En el fat tree el parámetro más importante es el tamaño del buffer, obteniendo unas prestaciones similares una configuración con buffers en todos los switches que la que los ubica solo en el nivel superior. En resumen, esta tesis estudia el uso de la tecnología fotónica para las redes de sistemas a exascala y propone aprovechar[CA] Els darrers anys, múltiples projectes de recerca a tot el món s'han centrat en el disseny de superordinadors capaços d'assolir la barrera de computació exascala, amb l'objectiu de donar suport a l'execució d'aplicacions importants per a la nostra societat, com ara salut, intel·ligència artificial, meteorologia, etc. Segons la tendència creixent en la potència de càlcul en cada generació de superordinadors, es preveu assolir aquest objectiu en els propers anys. No obstant això, assolir aquest objectiu requereix abordar diferents reptes importants en el disseny i desenvolupament del sistema. Un dels principals és aconseguir comunicacions ràpides i eficients entre l'enorme nombre de nodes computacionals i els sistemes de memòria. La tecnologia fotònica proporciona diversos avantatges respecte a les xarxes elèctriques actuals, com ara un major ample de banda als enllaços, un major paral·lelisme de la xarxa gràcies a DWDM o una millor gestió del cable a causa de la seva mida molt més xicoteta. En la tesi, s'ha desenvolupat un estudi de viabilitat i desenvolupament de xarxes d'interconnexió mitjançant tecnologia fotònica per a futurs sistemes exascala dins del projecte europeu ExaNeSt. En primer lloc, s'ha dut a terme un estudi de caracterització d'aplicacions exascala dels requisits de xarxa. Els resultats de l'anàlisi ajuden a entendre els requisits de xarxa de les aplicacions exascale i, per tant, ens guien en el disseny de la xarxa del sistema. Aquesta anàlisi considera tres paràmetres principals: la distribució dels missatges en funció de la seva mida i tipus, el consum d'ample de banda requerit durant tota l'execució i els patrons de comunicació espacial entre els nodes. L'estudi revela la necessitat d'una xarxa d'interconnexió ràpida i eficient, ja que la majoria de comunicacions consisteixen en ràfegues de transmissions, cadascuna amb una mida mitjana de missatge de 50 KB. A continuació, la tesi se centra a identificar els principals elements que diferencien les xarxes fotòniques de les elèctriques. Identifiquem una seqüència de passos en el disseny i implementació d'un simulador: tractar la tecnologia fotònica des de zero o per ampliar un simulador de xarxa elèctrica existent per modelar la fotònica. Després, es presenten dos estudis principals de comparació de rendiment entre xarxes elèctriques i diferents configuracions de xarxes fotòniques mitjançant topologies clàssiques. En el primer estudi, realitzat tant amb trànsit sintètic com amb traces d'ExaNeSt en un toro, fat tree i dragonfly, vam trobar que la tecnologia fotònica representa una millora notable respecte a la tecnologia elèctrica. A més, l'estudi mostra que el paràmetre que més afecta el rendiment és l'amplada de banda del canal fotònic. Aquest darrer estudi analitza el rendiment d'aplicacions reals en simulacions a gran escala en una topologia jellyfish. Els resultats d'aquest estudi corroboren les conclusions obtingudes en l'anterior, revelant també que la tecnologia fotònica permet reduir la complexitat d'algunes topologies i, per tant, el cost de la xarxa. En els estudis anteriors ens adonem que la xarxa estava infrautilitzada principalment perquè les topologies estudiades per a xarxes elèctriques no aprofiten les característiques proporcionades per la tecnologia fotònica. Per aquest motiu, proposem Segment Switching, una estratègia de commutació destinada a reduir la longitud de les rutes mitjançant la implementació de memòries intermèdies en nodes intermedis al llarg de la ruta. Els resultats experimentals mostren que cadascuna de les topologies estudiades presenta diferents requisits de memòria intermèdia. Per al toro, com més gran siga el nombre de memòries intermèdies a la xarxa, major serà el rendiment. Per al fat tree, el paràmetre clau és la mida de la memòria intermèdia, aconseguint un rendiment similar tant amb una configuració amb memòria intermèdia en tots els co[EN] In the last recent years, multiple research projects around the world have focused on the design of supercomputers able to reach the exascale computing barrier, with the aim of supporting the execution of important applications for our society, such as health, artificial intelligence, meteorology, etc. According to the growing trend in the computational power in each supercomputer generation, this objective is expected to be reached in the coming years. However, achieving this goal requires addressing distinct major challenges in the design and development of the system. One of the main ones is to achieve fast and efficient communications between the huge number of computational nodes and the memory systems. Photonics technology provides several advantages over current electrical networks, such as higher bandwidth in the links, greater network parallelism thanks to DWDM, or better cable management due to its much smaller size. In this thesis, a feasibility study and development of interconnection networks have been developed using photonics technology for future exascale systems within the European project ExaNeSt. First, a characterization study of exascale applications from the network requirements has been carried out. The results of the analysis help understand the network requirements of exascale applications, and thereby guide us in the design of the system network. This analysis considers three main parameters: the distribution of the messages based on their size and type, the required bandwidth consumption throughout the execution, and the spatial communication patterns between the nodes. The study reveals the need for a fast and efficient interconnection network, since most communications consist of bursts of transmissions, each with an average message size of 50 KB. Next, this dissertation concentrates on identifying the main elements that differentiate photonic networks from electrical ones. We identify a sequence of steps in the design and implementation of a simulator either i) dealing with photonic technology from scratch or ii) to extend an existing electrical network simulator in order to model photonics. After that, two main performance comparison studies between electrical networks and different configurations of photonic networks are presented using classical topologies. In the former study, carried out with both synthetic traffic and traces of ExaNeSt in a torus, fat tree and dragonfly, we found that photonic technology represents a noticeable improvement over electrical technology. Furthermore, the study shows that the parameter that most affects the performance is the bandwidth of the photonic channel. The latter study analyzes performance of real applications in large-scale simulations in a jellyfish topology. The results of this study corroborates the conclusions obtained in the previous, also revealing that photonic technology allows reducing the complexity of some topologies, and therefore, the cost of the network. In the previous studies we realize that the network was underutilized mainly because the studied topologies for electrical networks do not take advantage of the features provided by photonic technology. For this reason, we propose Segment Switching, a switching strategy aimed at reducing the length of the routes by implementing buffers at intermediate nodes along the path. Experimental results show that each of the studied topologies presents different buffering requirements. For the torus, the higher the number of buffers in the network, the higher the performance. For the fat tree, the key parameter is the buffer size, achieving similar performance a configuration with buffers on all switches that locating buffers only at the top level. In summary, this thesis studies the use of photonic technology for networks of exascale systems, and proposes to take advantage of the characteristics of this technology in current electrical network topologies.This thesis has been conceived from the work carried out by Polytechnic University of Valencia in the ExaNeSt European projectDuro Gómez, J. (2021). Photonic Interconnection Networks for Exascale Computers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166796TESI

Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors

[ES] Los procesadores multinúcleo actuales cuentan con recursos compartidos entre los diferentes núcleos. Dos de estos recursos compartidos, la cache de último nivel y el ancho de banda de memoria principal, pueden convertirse en cuellos de botella para el rendimiento. Además, con el crecimiento del número de núcleos que implementan los diseños más recientes, la red dentro del chip también se convierte en un cuello de botella que puede afectar negativamente al rendimiento, ya que las redes tradicionales pueden encontrar limitaciones a su escalabilidad en el futuro cercano. Prácticamente la totalidad de los diseños actuales implementan jerarquías de memoria que se comunican mediante rápidas redes de interconexión. Esta organización es eficaz dado que permite reducir el número de accesos que se realizan a memoria principal y la latencia media de acceso a memoria. Las caches, la red de interconexión y la memoria principal, conjuntamente con otras técnicas conocidas como la prebúsqueda, permiten reducir las enormes latencias de acceso a memoria principal, limitando así el impacto negativo ocasionado por la diferencia de rendimiento existente entre los núcleos de cómputo y la memoria. Sin embargo, compartir los recursos mencionados es fuente de diferentes problemas y retos, siendo uno de los principales el manejo de la interferencia entre aplicaciones. Hacer un uso eficiente de la jerarquía de memoria y las caches, así como contar con una red de interconexión apropiada, es necesario para sostener el crecimiento del rendimiento en los diseños tanto actuales como futuros. Esta tesis analiza y estudia los principales problemas e inconvenientes observados en estos dos recursos: la cache de último nivel y la red dentro del chip. En primer lugar, se estudia la escalabilidad de las tradicionales redes dentro del chip con topología de malla, así como esta puede verse comprometida en próximos diseños que cuenten con mayor número de núcleos. Los resultados de este estudio muestran que, a mayor número de núcleos, el impacto negativo de la distancia entre núcleos en la latencia puede afectar seriamente al rendimiento del procesador. Como solución a este problema, en esta tesis proponemos una de red de interconexión óptica modelada en un entorno de simulación detallado, que supone una solución viable a los problemas de escalabilidad observados en los diseños tradicionales. A continuación, esta tesis dedica un esfuerzo importante a identificar y proponer soluciones a los principales problemas de diseño de las jerarquías de memoria actuales como son, por ejemplo, el sobredimensionado del espacio de cache privado, la existencia de réplicas de datos y rigidez e incapacidad de adaptación de las estructuras de cache. Aunque bien conocidos, estos problemas y sus efectos adversos en el rendimiento pueden ser evitados en procesadores de alto rendimiento gracias a la enorme capacidad de la cache de último nivel que este tipo de procesadores típicamente implementan. Sin embargo, en procesadores de bajo consumo, no existe la posibilidad de contar con tales capacidades y hacer un uso eficiente del espacio disponible es crítico para mantener el rendimiento. Como solución a estos problemas en procesadores de bajo consumo, proponemos una novedosa organización de jerarquía de dos niveles cache que utiliza una red de interconexión óptica. Los resultados obtenidos muestran que, comparado con diseños convencionales, el consumo de energía estática en la arquitectura propuesta es un 60% menor, pese a que los resultados de rendimiento presentan valores similares. Por último, hemos extendido la arquitectura propuesta para dar soporte tanto a aplicaciones paralelas como secuenciales. Los resultados obtenidos con la esta nueva arquitectura muestran un ahorro de hasta el 78 % de energía estática en la ejecución de aplicaciones paralelas.[CA] Els processadors multinucli actuals compten amb recursos compartits entre els diferents nuclis. Dos d'aquests recursos compartits, la memòria d’últim nivell i l'ample de banda de memòria principal, poden convertir-se en colls d'ampolla per al rendiment. A mes, amb el creixement del nombre de nuclis que implementen els dissenys mes recents, la xarxa dins del xip també es converteix en un coll d'ampolla que pot afectar negativament el rendiment, ja que les xarxes tradicionals poden trobar limitacions a la seva escalabilitat en el futur proper. Pràcticament la totalitat dels dissenys actuals implementen jerarquies de memòria que es comuniquen mitjançant rapides xarxes d’interconnexió. Aquesta organització es eficaç ates que permet reduir el nombre d'accessos que es realitzen a memòria principal i la latència mitjana d’accés a memòria. Les caches, la xarxa d’interconnexió i la memòria principal, conjuntament amb altres tècniques conegudes com la prebúsqueda, permeten reduir les enormes latències d’accés a memòria principal, limitant així l'impacte negatiu ocasionat per la diferencia de rendiment existent entre els nuclis de còmput i la memòria. No obstant això, compartir els recursos esmentats és font de diversos problemes i reptes, sent un dels principals la gestió de la interferència entre aplicacions. Fer un us eficient de la jerarquia de memòria i les caches, així com comptar amb una xarxa d’interconnexió apropiada, es necessari per sostenir el creixement del rendiment en els dissenys tant actuals com futurs. Aquesta tesi analitza i estudia els principals problemes i inconvenients observats en aquests dos recursos: la memòria cache d’últim nivell i la xarxa dins del xip. En primer lloc, s'estudia l'escalabilitat de les xarxes tradicionals dins del xip amb topologia de malla, així com aquesta es pot veure compromesa en propers dissenys que compten amb major nombre de nuclis. Els resultats d'aquest estudi mostren que, a major nombre de nuclis, l'impacte negatiu de la distància entre nuclis en la latència pot afectar seriosament al rendiment del processador. Com a solució' a aquest problema, en aquesta tesi proposem una xarxa d’interconnexió' òptica modelada en un entorn de simulació detallat, que suposa una solució viable als problemes d'escalabilitat observats en els dissenys tradicionals. A continuació, aquesta tesi dedica un esforç important a identificar i proposar solucions als principals problemes de disseny de les jerarquies de memòria actuals com son, per exemple, el sobredimensionat de l'espai de memòria cache privat, l’existència de repliques de dades i la rigidesa i incapacitat d’adaptació' de les estructures de memòria cache. Encara que ben coneguts, aquests problemes i els seus efectes adversos en el rendiment poden ser evitats en processadors d'alt rendiment gracies a l'enorme capacitat de la memòria cache d’últim nivell que aquest tipus de processadors típicament implementen. No obstant això, en processadors de baix consum, no hi ha la possibilitat de comptar amb aquestes capacitats, i fer un us eficient de l'espai disponible es torna crític per mantenir el rendiment. Com a solució a aquests problemes en processadors de baix consum, proposem una nova organització de jerarquia de dos nivells de memòria cache que utilitza una xarxa d’interconnexió òptica. Els resultats obtinguts mostren que, comparat amb dissenys convencionals, el consum d'energia estàtica en l'arquitectura proposada és un 60% menor, malgrat que els resultats de rendiment presenten valors similars. Per últim, hem estes l'arquitectura proposada per donar suport tant a aplicacions paral·leles com seqüencials. Els resultats obtinguts amb aquesta nova arquitectura mostren un estalvi de fins al 78 % d'energia estàtica en l’execució d'aplicacions paral·leles.[EN] Current multicores face the challenge of sharing resources among the different processor cores. Two main shared resources act as major performance bottlenecks in current designs: the off-chip main memory bandwidth and the last level cache. Additionally, as the core count grows, the network on-chip is also becoming a potential performance bottleneck, since traditional designs may find scalability issues in the near future. Memory hierarchies communicated through fast interconnects are implemented in almost every current design as they reduce the number of off-chip accesses and the overall latency, respectively. Main memory, caches, and interconnection resources, together with other widely-used techniques like prefetching, help alleviate the huge memory access latencies and limit the impact of the core-memory speed gap. However, sharing these resources brings several concerns, being one of the most challenging the management of the inter-application interference. Since almost every running application needs to access to main memory, all of them are exposed to interference from other co-runners in their way to the memory controller. For this reason, making an efficient use of the available cache space, together with achieving fast and scalable interconnects, is critical to sustain the performance in current and future designs. This dissertation analyzes and addresses the most important shortcomings of two major shared resources: the Last Level Cache (LLC) and the Network on Chip (NoC). First, we study the scalability of both electrical and optical NoCs for future multicoresand many-cores. To perform this study, we model optical interconnects in a cycle-accurate multicore simulation framework. A proper model is required; otherwise, important performance deviations may be observed otherwise in the evaluation results. The study reveals that, as the core count grows, the effect of distance on the end-to-end latency can negatively impact on the processor performance. In contrast, the study also shows that silicon nanophotonics are a viable solution to solve the mentioned latency problems. This dissertation is also motivated by important design concerns related to current memory hierarchies, like the oversizing of private cache space, data replication overheads, and lack of flexibility regarding sharing of cache structures. These issues, which can be overcome in high performance processors by virtue of huge LLCs, can compromise performance in low power processors. To address these issues we propose a more efficient cache hierarchy organization that leverages optical interconnects. The proposed architecture is conceived as an optically interconnected two-level cache hierarchy composed of multiple cache modules that can be dynamically turned on and off independently. Experimental results show that, compared to conventional designs, static energy consumption is improved by up to 60% while achieving similar performance results. Finally, we extend the proposal to support both sequential and parallel applications. This extension is required since the proposal adapts to the dynamic cache space needs of the running applications, and multithreaded applications's behaviors widely differ from those of single threaded programs. In addition, coherence management is also addressed, which is challenging since each cache module can be assigned to any core at a given time in the proposed approach. For parallel applications, the evaluation shows that the proposal achieves up to 78% static energy savings. In summary, this thesis tackles major challenges originated by the sharing of on-chip caches and communication resources in current multicores, and proposes new cache hierarchy organizations leveraging optical interconnects to address them. The proposed organizations reduce both static and dynamic energy consumption compared to conventional approaches while achieving similar performance; which results in better energy efficiency.Puche Lara, J. (2021). Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165254TESI

A Hybrid WDM/TDM PON architecture using wavelength selective switches

In this paper we propose some new hybrid WDM/TDM PON architectures that use wavelength selective switches at the remote node to improve flexibility, data security and power budget. We compare it with the existing WDM/TDM PONs in terms of cost and power budget

Lossless Photonic Switched Networks For Metro-access

We evaluate through computer simulation the performance of Photonic switching OPS/OBS networks of various sizes and configurations, based on a lossless (amplified) photonic switching node experimentally demonstrated previously. The great advantage of photonic switching is transparency to signal rate and format. Thus we propose a basic flexible network, with low-energy consumption and high-efficiency. In simulations traffic load is varied and network parameters such as, average number of hops (ANH), network latency (delay) and packet loss fraction are evaluated. Consistent results for the various configurations are presented, analyzed and discussed; and Interesting conclusions emerge.9773Conference on Optical Metro Networks and Short-Haul Systems VIIIFEB 16-18, 2016San Francisco, C

Resource allocation and scalability in dynamic wavelength-routed optical networks.

This thesis investigates the potential benefits of dynamic operation of wavelength-routed optical networks (WRONs) compared to the static approach. It is widely believed that dynamic operation of WRONs would overcome the inefficiencies of the static allocation in improving resource use. By rapidly allocating resources only when and where required, dynamic networks could potentially provide the same service that static networks but at decreased cost, very attractive to network operators. This hypothesis, however, has not been verified. It is therefore the focus of this thesis to investigate whether dynamic operation of WRONs can save significant number of wavelengths compared to the static approach whilst maintaining acceptable levels of delay and scalability. Firstly, the wavelength-routed optical-burst-switching (WR-OBS) network architecture is selected as the dynamic architecture to be studied, due to its feasibility of implementation and its improved network performance. Then, the wavelength requirements of dynamic WR-OBS are evaluated by means of novel analysis and simulation and compared to that of static networks for uniform and non-uniform traffic demand. It is shown that dynamic WR-OBS saves wavelengths with respect to the static approach only at low loads and especially for sparsely connected networks and that wavelength conversion is a key capability to significantly increase the benefits of dynamic operation. The mean delay introduced by dynamic operation of WR-OBS is then assessed. The results show that the extra delay is not significant as to violate end-to-end limits of time-sensitive applications. Finally, the limiting scalability of WR-OBS as a function of the lightpath allocation algorithm computational complexity is studied. The trade-off between the request processing time and blocking probability is investigated and a new low-blocking and scalable lightpath allocation algorithm which improves the mentioned trade-off is proposed. The presented algorithms and results can be used in the analysis and design of dynamic WRONs