DE69022347T2

DE69022347T2 - Multiprozessorrechner mit optischer Datenschalter.

Info

Publication number: DE69022347T2
Application number: DE69022347T
Authority: DE
Inventors: William Todd Smithgall
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-10-18
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2010-07-21
Also published as: EP0423434B1; EP0423434A1; DE69022347D1; US5150245A; JPH03188429A; JP2612637B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Datenschalter zur Aufteilung von Daten auf eine Vielzahl von datenverarbeitenden Gliedern, die untereinander über optische Datenübertragungspfade verbunden sind, welche reflektierende Mittel umfassen, um einen Übertragungspfad von einem der datenverarbeitenden Teilglieder auf ein anderes der datenverarbeitenden Glieder auszurichten.
Bei einem Multiprozessorcomputer handelt es sich um einen solchen, bei dem die Rechenaufgabe auf mehrere, manchmal viele ähnliche Prozessorelemente aufgeteilt wird. Häufig sind dabei die Prozessoren logisch in einem geometrischen Muster angeordnet, wie beispielsweise Quadrate auf einem Schachbrett. Die Schwierigkeit, elektrische Verbindungen zwischen Prozessoren herzustellen, insbesondere wenn deren Anzahl groß ist, hat einen Kompromiß erzwungen, durch den ein Prozessor nur mit seinen geometrisch angrenzenden Nachbarn direkt kommunizieren kann.
Ein solches Herangehen löst zwar das Problem der wechselseitigen Verbindungen, zwingt jedoch wiederum zu einigen schwerwiegenden Beschränkungen bei der Anwendersoftware, die in einem solchen Umfeld laufen muß. Die Software muß nicht nur geeignet sein, in Module aufgeteilt zu werden, die parallel arbeiten werden können, diese Module müssen auch in einer Weise miteinander in wechselseitige Beziehung treten können, daß sämtliche von ihnen benötigte externe Daten bei einem angrenzenden Prozessor verfügbar sind. Die Computergeometrie fällt deshalb hinsichtlich der endgültigen Softwaregestaltung erheblich ins Gewicht. Wenn die Anwendersoftware aufgrund der Computergeometrie erzwungenermaßen von der Idealform abweichen muß, gehen die mit der Verwendung von Mehrfachprozessoren verbundenen Vorteile wegen eines schwerfälligen Datentransfers zwischen nichtbenachbarten Prozessoren rasch verloren.
Die Verwendung optischer Schaltnetzwerke zur Übertragung von Eingangssignalen, die auf einer Vielzahl von Eingangsleitungen empfangen wurden, auf eine beliebige aus einer Vielzahl von Ausgangsleitungen, ist gut bekannt (US-A-4 074 142 und PCT WO 70/01028). Solche Netzwerke enthalten Gruppierungen von Leuchtdioden, die die elektrischen Eingangssignale in Lichtsignale umwandeln, welche durch ein Linsensystem auf Fotodetektoren projiziert werden, die mit den Ausgangsleitungen verbunden sind. Man verwendet Eingangs- und Ausgangsschaltungseinheiten zur Adressendecodierung und -selektion, um selektiv eine der Leuchtdioden und einen Fotodetektor zu aktivieren, so daß eine jede Eingangsleitung elektrooptisch mit einer selektierten Ausgangsleitung gekoppelt werden kann. Optische Schaltnetzwerke dieser Art gestatten eine Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit zwischen einer großen Anzahl von Eingangs- und Ausgangsleitungen.
Es ist auch bekannt, ein optisches Schaltnetzwerk mit einem in den optischen Übertragungspfaden gelegenen Spiegel zu versehen, um die oben beschriebene Zweiseiten-Anordnung zu einer Einseiten-Anordnung umzugestalten (Hartmann/Redfield, Design sketches for optical crossbar switches intended for large-scale parallel processing applications, Optical Engineering, Ed. 28 (1989), Nr. 4, April 1989, Seiten 315-327 (324, 325, 326). Auf diese Weise werden die Übertragungswege gefaltet und so ihre Länge verringert. Der Spiegel weist eine verdrehte Form auf und gewährleistet unterschiedliche horizontale Auslenkungen an jeder unterschiedlichen vertikalen Position auf dem Spiegel, wodurch jedes beliebige Zielobjekt erreicht werden kann. Die Datenübertragung erfolgt zwischen einer Vielzahl von Prozessoren und einer Vielzahl von Speichern mittels üblicher, vor dem Spiegel angeordneter Knotenpunkte. Auch in diesem Netzwerk erfolgt das Umschalten durch Auswahl eines geeigneten lichtemittierenden Elements, das aktiviert werden soll, sowie durch optische Ablenkung der Lichtstrahlen entsprechend dem gewünschten Zielsensor. Solche optischen Verfahren erfordern komplexe Steuer- und Betätigungsschaltungen und begrenzen die Übertragungsgeschwindigkeit.
Des weiteren ist eine Vorrichtung bekannt, die gleichfalls das Faltkonzept für die optische Kopplung einer Anzahl Prozessoren durch eine Einstrahl-Anordnung benutzt (US-A-4 358 858). Die Prozessoren sind auf einer gekrümmten Ebene vor einem zylindrischen Spiegel angeordnet. Diese Vorrichtung nutzt den Streuwinkel der optischen Strahlung, um die von einem der Prozessoren erzeugten und durch den zylindrischen Spiegel reflektierten Lichtsignale auf die anderen Prozessoren zu verteilen. Die Anordnung erfordert einen beträchtlichen Konstruktionsaufwand und ist aus Platzgründen auf eine begrenzte Anzahl von Prozessoren beschränkt, die einer neben dem anderen auf einer gekrümmten Linie angeordnet sein müssen. Hinzu kommt, daß die EinzelstrahlÜbertragung die Geschwindigkeit des Prozesses begrenzt.
Die Erfindung stellt eine verbesserte Einrichtung für ein Multiprozessorumfeld bereit, welches gefaltete optische Übertragungspfade hoher Güte nutzt.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, wie beansprucht, einen optischen Datenschalter bereitzustellen, der es einem beliebigen, in einem Multiprozessorumfeld eingeordneten Prozessor ermöglicht, zeitgleich Daten von einem beliebigen anderen Prozessor zu lesen.
Die zur Lösung dieser Aufgabe erforderlichen Maßnahmen sind in Anspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungs formen einiger Grundzüge der Erfindung gerichtet.
Gemäß der Erfindung sind jedem Prozessor ein Datenprojektor, beispielsweise ein Laser oder eine Matrix von Leuchtdioden (LEDS), sowie eine Leseeinheit, beispielsweise eine Matrix aus ladungsträgergekoppelten Bauelementen (CGD), zugeordnet. Ein optisch reflektierender Schirm oder Spiegel ist so angeordnet, daß sämtliche Prozessoren ihre Daten auf eine vorgegebene Stelle des Schirms projizieren können. Die Leseeinheit eines jeden Prozessors hat Sicht auf den gesamten Schirm, wodurch er in der Lage ist, Daten beliebiger anderer Prozessoren lesen zu können.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im nachfolgenden zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen bedeuten:
Fig. 1 eine Seitenansicht des optischen Datenschalters, die Leseeinheit/Projektor-Gruppierungen in Relation zum reflektierenden Schirm zeigt;
Fig. 2 zeigt die ebene Ansicht einer 3 x 3-Leseeinheit/Projektor-Gruppierung;
Fig. 3 zeigt eine 12 x 12-CCD-Matrix;
Fig. 4 zeigt die Ansicht einer Ebene eines Reflektorschirms für eine 3 x 3-Projektor-Matrix.
Während der zu beschreibende optische Datenschalter den Computerprozessoren zugeordnet ist, liegen Gestaltung und Funktion der Prozessoren selbst außerhalb des Rahmens dieser Erfindung. Für den Fachmann ist es daher offensichtlich, daß jede beliebige der gemeinhin verfügbaren und gut bekannten Prozessortechnologien in Verbindung mit dem hier offenbarten optischen Datenschalter Verwendung finden kann. Ferner wird die Erfindung zum besseren Verständnis bei Realisierung in einer 9-Prozessor-Gruppierung beschrieben, wobei jeder Prozessor 16 Informationsbits gleichzeitig überträgt. Natürlich kann die praktische Ausführung auf jede beliebige Anzahl Prozessoren, die wiederum eine beliebige Anzahl von Datenbits übertragen können, erweitert werden.
Bezugnehmend auf Fig. 1, besteht der optische Datenschalter 10 aus drei primären Komponenten, nämlich einer Datenleseeinheit 12, die jedem einzelnen Prozessor zugeordnet ist, einem Datenprojektor 14, der jedem einzelnen Prozessor zugeordnet ist, sowie einem optisch reflektierenden Schirm 16, beispielsweise einem Spiegel. Alle diese Komponenten sind in einem lichtundurchlässigen Gehäuse 18 untergebracht. Eine jede dieser Komponenten wird noch detaillierter beschrieben werden.

Datenprojektor

Fig. 2 zeigt eine 3 x 3-Matrix aus Datenleseeinheiten 12 und Datenprojektoren 14 für ein 9-Prozessoren-Computersystem. Jedem Prozessor ist eine Datenleseeinheit 12 zugeordnet mit Bündelungslinse 20 und einer Datenprojektionseinheit 14. Die Datenprojektionseinheit 14 ist für eine 4 x 4- oder 16-Bit-Anordnung veranschaulicht, aber dem Fachmann ist einleuchtend, daß die Projektionseinheit 14 eine beliebige Anzahl optisch aktiver Bauelemente für eine beliebige gewünschte Bit-Anzahl umfassen kann.
Jeder Projektor 14 besteht aus optisch aktiven Bauelementen, die Strahlung im sichtbaren Bereich emittieren, und deren Lichtemission zwecks Projektion auf einen reflektierenden Schirm zu einem engen Strahl gebündelt werden kann. Einstellung und Fokussierung der Lichtstrahlen sind kritisch, da die Daten eines Prozessors an der richtigen Stelle auf dem Schirm präsent sein müssen, damit die anderen Prozessoren diese bei Bedarf auffinden können. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Projektionselementen 22 um sehr kleine LEDs. Die wesentlichste an sie zu stellende Anforderung besteht darin, daß sie ausreichend hell sind und über einen genügend breiten Streuwinkel verfügen, damit die von ihnen auf dem Reflexionsschirm erzeugten Bilder unter dem Blickwinkel aller anderer Prozessoren im System auch wahrnehmbar und auflösbar sind. Wahlweise können Festkörperlaser eingesetzt werden. Jeder Prozessor hat seine eigene aus Projektionselementen 22 bestehende Matrix.

Datenleseeinheit

Jeder Prozessor verfügt auch über eine ihm zugeordnete Datenleseeinheit 12, die geeignet ist, den reflektierenden Schirm 16 (Fig. 2) und sämtliche hierauf projizierte Daten optisch zu erfassen. Die Datenleseeinheit 12 muß in der Lage sein, Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und sie muß über ein hinreichendes Auflösungsvermögen verfügen, um zwischen unterschiedlichen Bereichen 30 auf dem reflektierenden Schirm sowie unterschiedlichen Punktrastern innerhalb eines Bereiches 30 (Fig. 4) unterscheiden zu können.
Bezüglich Fig. 3 ist eine Datenleseeinheit 12 dargestellt. In diesem Beispiel handelt es sich bei der Datenleseeinheit 12 um eine aus ladungsträgergekoppelten Bauelementen (CCD) bestehende Einheit mit 144 Elementen 40 in einer 12 x 12-Matrix. Die Elemente 40 entsprechen den Datenprojektionselementen 22 (Fig. 2) im Verhältnis 1 zu 1. Die CCD 12 stellt eine Matrix aus lichtempfindlichen Zellen 40 dar, die Licht in elektrische Signale umwandeln. Diese ist so konzipiert, daß sie viele verschiedene Lichtpegel auflösen kann, die Anwendung erfordert jedoch nur die Fähigkeit, zwischen "ein" und "aus" unterscheiden zu können. Um nochmals auf Fig. 2 zu verweisen, so ist jede Datenleseeinheit 12 hinter einer Linse 20 angeordnet, die das vom Schirm reflektierte Licht auf die Einheit 12 bündelt.

Reflektierender Schirm

Der reflektierende Schirm 16 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Anforderungen, denen er entsprechen muß, bestehen darin, daß er flach und hinreichend starr sein muß, um Vibrations- und Temperatureinflüssen, die eine Verwindung hervorrufen könnten, widerstenen zu können und er muß optisch homogen sein. Viele geeignete Materialien sind gegenwärtig verfügbar: Glas, Keramik oder Metall mit einer geeigneten Oberflächenbehandlung oder einem Oberflächenüberzug. In der bevorzugten Ausführungsform ist der reflektierende Schirm 16 ein Spiegel.
Der reflektierende Schirm 16 ist in 9 Bereiche 30 unterteilt, von denen jeder Bereich einem Prozessor zugeordnet ist. Innerhalb eines jeden Bereichs 30 werden Daten von diesem Prozessor projiziert und zu allen Datenleseeinheiten reflektiert. Auf diese Weise ist jeder Prozessor in der Lage, Daten von allen anderen Prozessoren zu lesen.

Lichtundurchlässiges Gehäuse

Um irgendwelches unerwünschtes Licht von einer Wechselwirkung mit der Datenübertragung fernzuhalten, ist, wie in Fig. 1 gezeigt, ein lichtundurchlässiges Gehäuse 18 erforderlich. Ein weiteres Erfordernis besteht darin, daß die Leseeinheiten, die Datenprojektoren, der Schirm und jegliche zugeordnete optische Einheiten in einer starren räumlichen Beziehung zueinander gehalten werden müssen. Ein Einzelgehäuse kann allen diesen Problemstellungen gerecht werden.
Mit der hier beschriebenen Erfindung eröffnen sich dem Parallelrechnerkonzept noch größere Möglichkeiten. Da der Datentransfer wesentlich verbessert werden konnte, hat damit auch jeder Prozessor eine viel einfachere Aufgabe zu erfüllen und kann daher auch ein viel einfacheres Bauelement sein. Künftige Einsatzmöglichkeiten können auf anderweitige Gebiete der Informationsverarbeitung, beispielsweise der Datenschalter für Fernsprechsysteme, der Schalter für elektronische Netzwerke usw., ausgedehnt werden.

Claims

1. Datenschalter zur Aufteilung von Daten auf eine Vielzahl von Datenverarbeitungsgliedern, die durch optische Datenübertragungspfade miteinander verbunden sind, welche reflektierende Mittel zum Ausrichten eines Übertragungspfades von einem der Datenverarbeitungsglieder auf ein anderes der Datenverarbeitungsglieder einschließen,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkma-

eine Matrix aus Datenprozessoren (1 bis 9),

mit einem jeden der Datenprozessoren (1 bis 9) verbundene Projektionsmittel (14) zum gleichzeitigen Projizieren von Mehrfachbit-Daten, welche von diesem Datenprozessor generiert werden,

mit jedem der Datenprozessoren (1 bis 9) verbundene Mittel (12) zum gleichzeitigen Lesen von Mehrfachbit-Daten, die von den Projektionsmitteln (14) eines oder mehrerer der Datenprozessoren projiziert werden,

Reflexionsmittels (16) zum gleichzeitigen Reflektieren der von den Projektionsmitteln (14) eines oder mehrerer der Datenprozessoren (1 bis 9) auf die Mittel zum Lesen (12) eines oder mehrerer der Datenprozessoren projizierten Mehrfachbit-Datensätze,

gegenseitiges optisches Ausrichten der Projektionsmittel (14) sämtlicher Datenprozessoren (1 bis 9), Reflexionsmittel (16) sowie Mittel zum Lesen (12) aller Datenprozessoren (1 bis 9) in Bezug aufeinander, was die Mittel zum Lesen eines jeden der Datenprozessoren (1 bis 9) in die Lage versetzt, gleichzeitig die von den Projektionsmitteln (14) eines oder mehrerer der Datenprozessoren projizierten Mehrfachbit-Datensätze zu lesen.

2. Datenschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Projektionsmittel (14) eine LED-Matrix umfassen.

3. Datenschalter nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Reflexionsmittel (16) aus einem reflektierenden Schirm bestehen.

4. Datenschalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei den Matrix-Datenprozessoren (1 bis 9) um Sprachprozessoren handelt.