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21.03.1986 - 

Konzepte und Beispiele paralleler Rechnerarchitekturen (Xlll):

Konfliktfreie Rechner-Kommunikation per Hologramm

lmmer das Thema "parallele Rechner" zur Sprache kommt, kann man sicher sein, daß die Diskussion sehr bald um die zentrale Frage kreist: Wie schafft man ein leistungsstarkes, schnelles Kommunikationssystem zwischen allen beteiligten Prozessoren? Ein neues Konzept basiert auf einem holografischen Verbindungsnetzwerk.

Oft sind "schnelle" Bussysteme schnell ein kritischer Engpaß, wenn nur ein halbes Dutzend Prozessoren miteinander gekoppelt werden sollen. Dies wird erst recht ein Problem, wenn die Frage der Kommunikation in einem System mit mehreren tausend Knoten beantwortet werden soll. Dabei sollen die Verbindungsstrukturen nach Möglichkeit frei wählbar oder sogar beliebig modifizierbar sein und natürlich eine hohe Übertragungsbandbreite aufweisen.

Ein interessantes Konzept, wie man ein universelles Verbindungsnetz hoher Bandbreite für hochparallele, also viele Knoten umfassende Rechnersysteme darstellen kann, wurde nun aus dem Karlsruher Fraunhofer Institut für Informations- und Datenverarbeitung bekannt; in Fachkreisen hört es übrigens auf das Kürzel "IITB. Und zwar stellen D. Heger und P.-J. Becker gemeinsam mit H. Bolle, W. Heil und P. Peschke "Hololink" vor: ein "konfliktfreies holografisches Verbindungsnetzwerk".

Um zu verstehen, wo die großen konzeptionellen Vorzüge des vorgeschlagenen und bereits zum Patent angemeldeten Hololink liegen, ist es sinnvoll, kurz die herkömmlichen Rechnernetzstrukturen Revue passieren zu lassen; hier nämlich herrschen heute, so erinnern die Autoren in den "FhG-Berichten" (2/85), verschiedene Formen miteinander kombinierter "Kreuzschienenverteiler"-Schaltungen vor. Dabei haben diese Kombinationen den Sinn, durch Konfigurationen etwa in der Form eines sogenannten "Banyan-Netzes dem "idealen" Kreuzschienenverteiler - bei dem ja jeder Eingang blockierungsfrei mit jedem Ausgang verbunden werden kann - möglichst nahezukommen; allerdings mit erheblich geringerem Aufwand.

Ohne weiter auf Details einzugehen, kann man festhalten, daß das Entwicklungspotential leitungsgebundener Verbindungs- und Schaltnetze für Heger und seine Kollegen "begrenzt" ist, wobei ein Blick auf die Perspektiven der Chiptechnik nahegelegt, Systeme mit "maximal 512 Teilnehmern" als wohl obere erreichbare Grenze anzusehen. Und das reicht für Computerstrukturen mit einmal vielleicht 64 000 Knoten. Abhilfe soll hier das auf dem Phänomen der Holographie basierende Hololinkkonzept schaffen.

Kurz zur Holographie selbst: Überlagert man zwei mit gleicher Wellenlänge und in der gleichen Phase schwingende, also "kohärente" Lichtwellen einander, so entsteht "ein zeitlich konstantes, ortsfestes Interferenzmuster", das man mit Hilfe von lichtempfindlichem Material auf Dauer festhalten kann. Dabei erhält man das sogenannte "Hologramm", das nun später erneut mit einer der beiden bei der Aufzeichnung verwendeten Wellen durchstrahlt werden kann. Dann entsteht, infolge der Beugung, wiederum die andere der beiden ursprünglich zur Verfertigung des Hologramms benutzten Wellen.

Ist jene andere Welle bei der Aufnahme nicht direkt von der Lichtquelle zum Ort der "Interferenz" oder Überlagerung beider Wellen gelangt, sondern wurde sie erst von irgendeinem Gegenstand reflektiert, so wird dieser Gegenstand nun erneut "sichtbar", betrachtet man die beim "Auslesen" des Hologramms entstehende rekonstruierte zweite Welle.

Hier allerdings interessiert nun nicht primär die Möglichkeit, mit holografischen Verfahren dreidimensionale Bilder zu erzeugen, sondern nur deren Eignung zum Aufbau eines Rechnernetzes. Deshalb muß nun erwähnt werden, daß man ein derartiges Hologramm nicht nur "in der Fläche", also etwa auf einem Stückchen Fotofilm, sondern als sogenanntes "Volumenhologramm" auch in einem räumlichen Volumen eines lichtempfindlichen Materials beziehungsweise Speichermediums anfertigen kann.

Diese "Volumenhologramme" wiederum haben nun eine Eigenschaft, die den Zwecken der Datenkommunikation durchaus zupaß kommt. Bei ihnen wird, beim Auslesen des Hologramms nämlich, nur dann eine Welle mit nennenswertem Wirkungsgrad beziehungsweise mit nennenswerter Intensität erzeugt, wenn die Wellenlänge wie auch der sogenannte Auftreffwinkel der in das Hologramm beim Auslesen einfallenden einen Welle die sogenannte "Bragg-Bedingung" erfüllen. Wichtig ist ferner: Volumenhologramme weisen eine "sehr hohe Winkelselektivität" auf, deren genaue Kenndaten übrigens noch von bestimmten Kenngrößen der verwendeten Strahlen sowie des Speichermaterials abhängen.

Man kann also eines festhalten: Bei Volumenhologrammen erscheint der gewünschte Output praktisch nur dann, wenn man sie sehr exakt unter ganz genau dem Winkel beleuchtet, der zur jeweils gerade auszulesenden Welle gehört. Diese Eigenschaft läßt sich nun, so meinen Heger, Becker und Kollegen, "zur Realisierung vieler unabhängiger optischer Übertragungskanäle in einem Speichervolumen ausnutzen". Über diese Kanäle können dann gleichzeitig und ohne gegenseitige Beeinflussung Lichtsignale übertragen werden".

Was sind das nun für Materialien, über die - nach den Vorstellungen der FhG-IITB-Autoren - künftig die starken Datenströme hochkomplizierter, massiv paralleler Rechner laufen sollen? Topfavorit ist hier eindeutig "das fotorefraktive" und für Volumenhologramme besonders geeignete Material "Lithiumniobat", das allerdings eine kleine Einschränkung aufzwingt: Man muß beim Programmieren, also beim "Schreiben", mit Wellenlängen unterhalb von 500 Nanometern arbeiten. Das aber ist ein ganz anderer Bereich als später beim Betrieb, denn es existieren keine Laserdioden mit Wellenlängen unterhalb rund 780 Nanometern, sagen die Autoren.

Diese Besonderheit und weiterhin die Tatsache, daß die heute verfügbaren Laserdioden, arbeiten sie unter "Hochfrequenzmodulation", ein Emissionsspektrum von etwa einem Nanometer Breite aufweisen - also zum Beispiel Wellen zwischen 800 und 801 Nanometern emittieren - , führt dazu, daß es eine Obergrenze für die maximale Zahl gleichzeitig aktiver Übertragungswege gibt. Diese Obergrenze hängt von Parametern wie der speziellen Winkelselektivität der gespeicherten Beugungsgitter sowie der "Divergenz" der gebeugten Strahlen (also quasi dem Maß ihres "Auseinanderlaufens") ab, die beide wiederum von der Wellenlänge und den Einfallswinkeln der verwendeten Strahlen bestimmt werden.

Verwendet man, so erläutern die IITB-Autoren, Strahlen von rund 800 Nanometern Wellenlänge und 6 Millimetern Durchmesser, so erzielt man eine Winkelselektivität von etwa 0,03 Grad. Rechnet man nun mit einem "insgesamt realisierbaren Winkelbereich" von etwa 30 Grad, so müßte man darin theoretisch rund 1000 Sender und 1000 Empfänger unterbringen können. Doch das ist noch längst nicht alles. Denn niemand zwingt dazu, alle Sender bloß in einer Ebene anzuordnen - und deshalb kann man, bei Nutzung auch der zweiten Dimension, nun theoretisch sogar mit einem Feld von 1000 mal 1000 Sendern arbeiten; also eine Million Kanäle durch den Kristall schicken.

Doch begrenzt die Zahl der Beugungsgitter, die einem derartigen Speicherkristall "mit seiner endlichen Kennlinie" maximal eingeschrieben werden können, die Zahl der nutzbaren Kanäle. Diese Zahl der maximal einschreibbaren Beugungsgitter wird wiederum durch den Lichtleistungsbedarf der Empfängerdioden sowie durch die am Speichervolumen verfügbare Lichtleistung des einzelnen Sender-Kanals begrenzt.

Ein wenig Rechnen führt, unter Berücksichtigung der hier erwähnten Bedingungen, letztlich nun dazu, daß man bei Lithiumniobat doch wieder hoffen kann, es sollten sich bis zu rund einer Million Beugungsgitter in den Kristall schreiben lassen. Oder bei etwas distanziert-zurückhalten der Betrachtungsweise, daß man mit der heutigen Technik wohl immerhin ein "volumenholographisches Verbindungsnetzwerk mit etwa 100 000 bis 1 Million unabhängigen Übertragungskanälen" sollte realisieren können. Ist die Frage nach den Kanalen nun beantwortet, so stellt sich als nächste nun sogleich die nach den erzielbaren Übertragungsraten. Hier denken die IITB-Experten nun, was den Sender betrifft, vor allem an die Verwendung einer bestimmten Sorte von Laserdioden, die ein "sehr schmales"

Spektrum aufweisen und Datenraten von etwa 300 Megabit pro Sekunde ermöglichen sollten; im Versuch wurden sogar schon 400 Megabit pro Sekunde erzielt. Allerdings sei hier die elektrische Beschaltung etwas kompliziert.

Und wie kann man sich nun, verläßt man die Betrachtungsebene des einzelnen Kanals wieder, ein komplettes Verbindungs-System vorstellen? - Hierzu meinen die Autoren, man könnte auf der Senderseite ein "Array von Lichtpunkten vorsehen, bei dem jede einzelne Datenquelle (q) genau so viele einzelne Sendedioden besitzt, wie Datensenken (s) von ihr angesteuert beziehungsweise erreicht werden können. Und dann wird eben einfach "für jede der vorgesehenen Verbindungen zwischen Datenquelle und Datensenke (n) im holographischen Speichermedium ein Verbindungs-Hologramm abgespeichert"; und außerdem auch je einer "für jede Sammel- oder Gruppenadressierung".

Für die Praxis der absehbaren Zukunft kann man allerdings davon ausgehen, spekulieren die Autoren, daß die "Quellteilnehmer" in Vielprozessor-Systemen unterschiedliche Informationen nicht gerade gleichzeitig über sämtliche ihnen überhaupt zugänglichen - beziehungsweise logisch vorhandenen - Ausgangskanäle abgeben werden. Es dürfte nämlich wohl eher so sein, daß "die Anzahl der gleichzeitig und unabhängig voneinander betreibbaren Ausgangskanäle" vorerst "auch für sehr universelle Anwendungsklassen" "begrenzt bleiben" wird.

Diese Überlegungen lassen also erwarten, daß es durchaus tragbar sein dürfte, die "Anzahl der Sendedioden auf wenige Stück je Quellteilnehmer zu begrenzen" und dafür dann zur eindeutigen Adressierung des jeweiligen Zielteilnehmers ganz einfach eine spezifische Zieladresse mit über den Kanal zu übertragen. Dann decodieren nämlich alle über den jeweiligen Kanal erreichbaren Zielteilnehmer ganz einfach diese Adresse, "erkennen" im Fall des Falles, daß sie gemeint sind, und decodieren die einlaufenden Daten.

Dieses Verfahren habe, so verlautet aus Karlsruhe, überdies noch den Vorteil, daß nun bei Hololink auch "die aus Fehlertoleranzgründen wichtige Sammeladressierung" in einfacher Weise verwirklicht werden könne.

Zieht man einen Vergleich zwischen diesem neuen Konzept und dem herkömmlichen Verdrahtungswirrwarr in der Computerei, so kann man das Hololink-System wohl am ehesten mit einem frei konfigurierbaren Mehrfach-Bussystem vergleichen, wobei dann jeder Quellteilnehmer "an einen oder mehrere Busse als einziger Sender für alle daran angeschlossenen Zielsysteme angeschlossen" ist. Und damit verfügt der dereinstige Benutzer so eines Systems praktisch über eine Verbindungsstruktur, bei der die gefürchteten "Bus-Zugriffskonflikte" einfach dadurch ausgeschlossen sind, daß ja sowieso immer nur ein einziger Teilnehmer auf einen Bus zugreifen kann.

Diese neu vorgeschlagene Struktur, ist nicht nur vielfältig "anwendungsanpaßbar", sie erfordert, laut IITB, auch, senderseitig nur einen "linearen Aufwand". Und damit werde auch gleich das technische bis technologische Problem der Herstellung des erwähnten Laserdioden-Arrays elegant umgangen. Und außerdem sei es nunmehr möglich, sowohl das Gesamtsystem als auch dessen einzelne Komponenten für verschiedene Klassen von Anwendungen jeweils speziell zu optimieren.

Um ein Parallelrechner-System unter Verwendung von Hololink zu realisieren, wird jeder "Teilnehmer" über jeweils ein Vielfach-Lichtleiterkabel mit dem Hololink-Block verbunden. Dabei umfaßt jedes dieser Kabel eine oder mehrere Fasern für die Ausgangskanäle sowie mehrere Empfänger-Fasern. Das bedeutet natürlich, daß die eigentliche Datenübertragung (bereits) rein optisch erfolgt; das gewährleistet eine hohe Datenrate und erlaubt, die Sender und Empfänger einfach bei den Teilnehmern selber zu belassen.

Betrachtet man bei diesem Konzept den Hololink-Block näher, so stellt man fest, daß hier alle Sender-Lichtleiter zu einer "linearen Senderanordnung" gruppiert werden, die Empfänger-Lichtleiter aber zu einer matrixförmigen Anordnung. Im Speicherkristall selber sind, nach der oben beschriebenen Weise, verschiedene Beugungsgitter eingeschrieben, die die optische Verbindung zwischen den Sender- und den Empfänger-Lichtleitern herstellen. Dies bedeutet nichts anderes, als daß "die Kommunikationsstruktur des Netzes" einfach durch "einen Satz von Verbindungshologrammen festgelegt" wird.

Dieses Konzept bietet nun die frappierende Möglichkeit, für den Aufbau verschiedenartiger Kommunikationsstrukturen ganz einfach physisch verschiedene Kristalle einzusetzen, die dann natürlich auswechselbar sein müßten, oder in einem Kristall, und zwar in verschiedenen Winkelbereichen, verschiedene Strukturen unterzubringen beziehungsweise abzuspeichern.

Die IlTB-Wissenschaftler hoffen, schon in knapp zwei Jahren einen Hololink-Prototypen herstellen zu können, mit dem sie dann experimentieren könnten. Beispielsweise könnte er dann in das geplante, "hochparallele Rechensystem für die numerische Simulation" - SUPRENUM - integriert werden. Denn SUPRENUM entsteht als BMFT-Verbundvorhaben unter Beteiligung der GMD, der Firmen Krupp-Atlas und Stolberg sowie verschiedener Hochschulinstitute.