Στο πεδίο των ασύρματων επικοινωνιών της τάξης των 60 GHz που αντιστοιχούν σε ρυθμούς μετάδοσης multi-gigabits ανά δευτερόλεπτο, οι σύγχρονες υλοποιήσεις βασίζονται στα ιδιαίτερα προσαρμοζόμενα ASICs, ανάλογα με τις ανάγκες της εφαρμογής. Απαιτούνται γενικώς υψηλές ταχύτητες επεξεργασίας σε συνδυασμό με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, για να υποστηριχθούν διαφορετικά πρότυπα με μεγάλη διαφοροποίηση τρόπων χρήσης, είναι ιδιαίτερα επιθυμητές λύσεις αρχιτεκτονικής που μπορούν να προγραμματιστούν και να ρυθμιστούν έτσι ώστε αυξάνοντας το δυνατό αγοραστικό κοινό, να μειωθεί το κόστος επεξεργασίας ανά chip. Στις μέρες μας, τα ASIPs (Application-Specific Instruction-set Processors) δεν είναι εφικτά λόγων των υψηλότατων απαιτήσεων απόδοσης/ενέργειας. Ωστόσο, το κενό που υπάρχει με τα ASICs μπορεί κατά μεγάλο μέρος να γεφυρωθεί ή και να εξαλειφθεί, εισάγοντας και χρησιμοποιώντας ποιο δυναμική συμπεριφορά στην ψηφιακή front-end λειτουργικότητα. Για να επιτευχθεί αυτό, απαιτούνται καινοτομίες στην πλευρά της αρχιτεκτονικής του επεξεργαστή και ειδικότερα στον τρόπο που οι αλγόριθμοι αντιστοιχίζονται σε αυτές τις απαιτήσεις. Ξεκινώντας από παλαιότερα πειράματα που έδειξαν ότι η ιδέα αυτή είναι εφικτή, τα αντιπροσωπευτικά αλγοριθμικά τμήματα (με βάση κυρίως τον FFT) θα αντιστοιχηθούν στην επιλεγμένη αρχιτεκτονική ASIP για εφαρμογές στα 60 GHz. Σε αυτά τα πλαίσια, θα εφαρμοστεί η μεθοδολογία του διαγράμματος ροής εκτιμήσεων υψηλής κλίμακας (high level estimations flowchart). Πιο συγκεκριμένα, αρχικά θα αποκτηθεί μια πιο ακριβής καταγραφή του λειτουργικού κόστους της αλυσίδας φορτίου δεδομένων του ψηφιακού μέρους του δέκτη που υλοποιεί το πρότυπο επικοινωνιών στα 60 GHz. Στη συνέχεια θα κβαντιστούν οι πιο πολύπλοκοι, λειτουργικά, πυρήνες της αλυσίδας, όπως θα προκύψει από το προηγούμενο βήμα και τελικά οι πυρήνες αυτοί θα αντιστοιχηθούν σε αναδιαμορφώσιμα αρχιτεκτονικά μοντέλα. Η εργασία θα επικεντρωθεί στον FFT, που αναμένεται να έχει τη μέγιστη λειτουργική πολυπλοκότητα και θα προταθεί μια διαφορετική προσέγγιση για τον τρόπο προσπέλασης των δεδομένων και των συντελεστών στην SRAM και το register file, με στόχο την ελάττωση της κατανάλωσης ενέργειας του πυρήνα αυτού. Τέλος, θα παρατεθεί μια συγκριτική μελέτη των σχημάτων πρόσβασης που θα ερευνηθούν. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να ποσοτικοποιηθούν τα συνολικά κέρδη της έρευνάς μας. / In the domain of multi-gigabits per second wireless 60 GHz communication transceivers and beyond, today's implementations are all based on heavily customized application-specific integrated circuits (ASICs). The basic motivation for this customization is the extremely high processing speeds that are required, in combination with the need for low energy consumption. However, to support different standards and highly varying usage modes, more programmable or configurable architecture solutions are strongly desirable to increase the potential market volume and in this way to reduce the per-chip processing costs. Today these application-specific instruction set processors or ASIPs are not feasible due to the too high performance/energy requirements. Nevertheless, we believe that by introducing and exploiting more dynamic behavior in the digital front-end functionality, the performance/energy gap with the ASICs can be largely bridged and potentially even fully overcome. In order to achieve this, innovations are required on the processor architecture side and especially on the way algorithms are mapped to those architectures. In this thesis, we will start from earlier experiments which have shown the viability of the above concept. Τhe representative algorithmic blocks (mainly FFT oriented) will be mapped onto reconfigurable hardware based on ASIP architectures for 60 GHz applications. In this way we can quantify the overall gains and check how far the approach can be extended to exploit all the available dynamism using the concept of scenario clustering. In this context, we will follow the steps of the high level estimations flowchart methodology. In particular, we will obtain a more accurate account of the operational complexity of the digital base-band payload chain kernels, quantize the most complex of them and then map them in reconfigurable architectures. Especially for the FFT kernel, that is expected to show the highest complexity, we will implement a different approach in the accessing of the data and coefficients that intends to limit the energy usage of the kernel. For this purpose, we will end this work with a comparative study of different schemes explored.

Η αλματώδης ανάπτυξη που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια στον τομέα των οπτικών δικτύων τηλεπικοινωνιών, έχει ως συνέπεια την αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Σήμερα υπολογίζεται ότι η ενέργεια που οφείλεται σε IT τεχνολογίες αποτελεί το 1%-2% της παγκόσμιας κατανάλωσης. Ωστόσο, τα ποσοστά αυτά αναμένεται να αυξηθούν δραματικά μιας και όλο και περισσότερες εφαρμογές, που απαιτούν μεγάλο εύρος ζώνης (π.χ. video streaming, HDTV), αναπτύσσονται ταχύτατα. Μέχρι πρόσφατα ο κύριος περιορισμός στην ανάπτυξη των δικτύων ήταν το κόστος εξοπλισμού και μετάδοσης. Σήμερα το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι η όλο και αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας. Έτσι λοιπόν πιο energy-aware προσεγγίσεις για το σχεδιασμό, την υλοποίηση και τη λειτουργία των οπτικών δικτύων κρίνονται πλέον απαραίτητες. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της κατανάλωσης ενέργειας σε οπτικά δίκτυα υπάρχουν δυο προσεγγίσεις: η ανάπτυξη ενεργο-αποδοτικών συσκευών δικτύου ή η ανάπτυξη αλγορίθμων δρομολόγησης και ανάθεσης μήκους κύματος (RWA) που να λαμβάνουν υπόψη τους και την ενέργεια που καταναλώνει το δίκτυο. Στην παρούσα διπλωματική εργασία επιλέχθηκε η δεύτερη προσέγγιση όπου και αναπτύχθηκαν Energy Aware RWA αλγόριθμοι για τον σχεδιασμό WDM οπτικών δικτύων με στόχο την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που καταναλώνεται. Αυτό επιτυγχάνεται μειώνοντας τον αριθμό των συσκευών του δικτύου, όπως αναγεννητές, ενισχυτές, add/drop τερματικά κ.τ.λ. που είναι γνωστό ότι καταναλώνουν αρκετή ενέργεια κατά τη λειτουργία τους. Αρχικά αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος σε Ακέραιο Γραμμικό Ακέραιο Προγραμματισμό (Integer Linear Programming - ILP) που ελαχιστοποιεί από κοινού όλες εκείνες τις συσκευές του δικτύου που καταναλώνουν ενέργεια. Έπειτα το πρόβλημα χωρίζεται σε δυο υπο-προβλήματα: την κατανομή αναγεννητών σε κόμβους του δικτύου όπου η αναγέννηση είναι απαραίτητη και στο Energy Aware RWA. Σε αυτή τη περίπτωση εκτός από ILP προγραμματισμό εφαρμόζεται επίσης και χαλάρωση των περιορισμών ακεραιότητας (LP προγραμματισμός) ώστε να μπορούν να προκύψουν λύσεις και για μεγαλύτερες τοπολογίες. Για τον υπολογισμό της απόδοσης των προτεινόμενων αλγορίθμων διεξάγονται μια σειρά από πειράματα εξομοιώσεων σε Matlab, με τη βοήθεια του LINDO API για την επίλυση των (I)LP προβλημάτων σε ένα μικρό δίκτυο αλλά και στο ευρωπαϊκό δίκτυο Geant-2. Oι προτεινόμενοι αλγόριθμοι συγκρίνονται με τυπικούς RWA αλγορίθμους που δεν λαμβάνουν υπόψη την ενέργεια ή ελαχιστοποιούν κάποιες από τις συνιστώσες του δικτύου. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η κατανάλωση της ενέργειας του δικτύου μπορεί να μειωθεί μέχρι και 45% σε δίκτυο με συνδέσμους μονής ίνας και μέχρι και 65% σε συνδέσμους διπλής ίνας. / The continuing deployment and upgrade of optical telecommunication networks drive up power and energy consumption, in a way that makes operators worry that future energy consumption levels may pose constraints on communications growth that are more significant than those posed by bandwidth considerations. As community concerns about global energy consumption grow, the power consumption of the optical networks is becoming an issue of increasing importance. Even though energy consumption of IT-related infrastructure currently represents between 1% and 2% of global energy consumption, such values are destined to rise, as more bandwidth-hungry applications (such as video streaming, and HDTV in particular) continue to be developed. Thus, it seems that an energy-aware approach is increasingly needed during the design, implementation and operation of optical networks. Two different approaches can be explored to reduce energy consumption in optical networks: the improvement of the energy efficiency of the equipment and the energy awareness of the Routing and Wavelengths Assignment (RWA) algorithms. In this work the energy minimization problem in optical networks is considered from an algorithmic perspective. The objective of the proposed algorithms is to plan optical WDM networks so as to minimize the energy consumed, by minimizing the number of the most energy-consuming components. Such components can be amplifiers, regenerators, add/drop terminals, optical fibers, etc. Firstly an Integer Linear Programming (ILP) formulation is given that aims at jointly minimizing the energy consuming modules present in an optical network, such as the regenerators, amplifiers, wavelength selective switches, etc. Then the problem for a general (translucent network) is decomposed into a regeneration placement problem, and an energy-aware RWA for transparent networks problem, where again ILP formulations are given to minimize energy consumption. The ILP of the decomposed problem is solved as an LP problem, by relaxing the integer constraints, in order to obtain solutions for larger network topologies. In order to evaluate the performance of the proposed Energy Aware (EA)-RWA algorithms a number of simulation experiments is carried out. All the RWA algorithms are implemented in Matlab and LINDO API is used to solve the corresponding (I)LP problems. The proposed algorithms are compared with RWA algorithms that do not consider energy minimization techniques or RWA algorithms that partially take into account energy consuming components. The simulation results showed that the energy consumption in the optical layer can be reduced by up to 45% in single fiber networks and by up to 65% in multi-fiber networks.