Fotonların pasif bileşenler aracılığıyla analog toplama yeteneğini kullanarak düşük enerji tüketen ve yüksek işlem hızlarında çalışan bir optik toplayıcı/mantık kapısı (POC - Photonic Optical Combiner/Gate) sistemi tasarlamayı ve doğrulamayı hedeflemektedir.
Year: 2026
Type: article
Abstract: Fotonların pasif bileşenler aracılığıyla analog toplama yeteneğini kullanarak düşük enerji tüketen ve yüksek işlem hızlarında çalışan bir optik toplayıcı/mantık kapısı (POC - Photonic Optical Combiner/Gate) sistemi tasarlamayı ve doğrulamayı hedeflemektedir. Bir optik anahtarın önemli performans faktörü, anahtarlama süresidir. Şu anda farklı optik anahtarlama teknolojileri geliştirilmekte olup, her anahtarlama teknolojisinin kendine özgü avantajları bulunmaktadır. Optik anahtarlama, harici termal, akustik, manyetik ve elektrik alanlarının uygulanmasıyla optik etkileşimler yoluyla gerçekleştirilir. Termo-optik, akusto-optik ve elektro-optik gibi etkilere dayanan optik anahtarlar, nanosaniye ve pikosaniye mertebesinde anahtarlama hızı sağlar. Diğer performans faktörlerinden bağımsız olarak, elektro-optik etkiye dayalı optik anahtarlar daha yüksek anahtarlama hızına sahiptir; Proje amacı: optik güçlerin üst üste binerek (analog sum) tek bir alıcıda toplanıp mantıksal/matematiksel bir işlem oluşturmak FBT splitter pasif olduğu için, 4 farklı kaynaktan gelen ışık dalgaları burada fiziksel olarak üst üste biniyor. I_total = Σ W_i·A_i formülü, bu analog toplamın matematiksel ifadesidir. (Burada W_i her bir kanalın ağırlığı/optik güç, A_ii ise genlik veya modülasyon bilgisidir. Yani sistem, veriyi iletmek için zamanlama (timing) veya frekans ayrımı yapmıyor; doğrudan ışık şiddetlerini topluyor. Bu, harici güç gerektirmeyen, tamamen pasif bir "optik işlemci" mantığıdır. "Düşük enerji tüketimi ile yüksek işlem hızları (ışık hızında) elde etmek" hedefi doğrultusunda, dökümanın ana hedefini üç ana katmanda şu şekilde özetleyebiliriz: 1. Teorik ve Kavramsal Katman: Fotonik Mantık ile Hız ve Enerji Verimliliği Hedef: Geleneksel elektronik mimarilerin (MOSFET, CPU/GPU) kütleli elektronlar nedeniyle karşılaştığı direnç, ısınma ve gecikme (latency) sınırlarını aşmak. Yöntem: Kütlesiz fotonları kullanan optik mantık kapılarının (AND, OR, XOR, NOT) teorik olarak nasıl çalıştığını ortaya koymak. Işık Hızı ve Enerji Bağlantısı: Fotonların kütlesiz olması, iletim ortamında (fiber) çok daha az dirençle ve dolayısıyla çok daha düşük enerji kaybıyla hareket etmelerini sağlar. Bu, ışık hızında veri işleme potansiyelinin temelini oluşturur. 2. Donanımsal ve Pratik Katman: Pasif Optik Bileşenlerle Paralel İletim Hedef: Mevcut IT donanımlarını (QLogic QLE2660 FC HBA, 850nm SFP+ modüller, M.2-PCIe adaptörleri) kullanarak, ışığın paralel veri taşıma kapasitesini fiziksel olarak kanıtlamak. Yöntem: 2 ayrı bilgisayardan (PC-1 ve PC-2) gelen 4 bağımsız TX (verici) sinyalini, pasif FBT splitter'lar (ters 4x1) kullanarak tek bir fiber hatta birleştirmek. Işık Hızı ve Enerji Bağlantısı: FBT splitter gibi pasif optik bileşenler, sinyali birleştirirken veya bölerken harici bir elektrik gücüne ihtiyaç duymaz. Bu da sistemin genel enerji tüketimini minimumda tutarken, aynı anda birden fazla veri akışının (paralelliğin) tek bir hatta ışık hızında taşınabilmesine olanak tanır. 3. Yazılımsal ve Doğrulama Katmanı: Düşük Gecikmeli Veri İşleme Hedef: Birleştirilen paralel optik sinyali, sistemin sonundaki alıcıdan (SFP+ RX) alıp, en düşük gecikmeyle (latency) işleyerek "paralel kaplanma hızını" pratikte test etmek. Yöntem: Optik sinyali SFP+ alıcısından alıp, QLE2660 HBA ve PCIe üzerinden PC'ye aktararak, C# programlama dili ile yazılmış bir yazılım aracılığıyla okumak ve işlemek. Işık Hızı ve Enerji Bağlantısı: Verinin elektronikten (PCIe) yazılıma (C#) aktarımı sırasında oluşabilecek darboğazları ve gecikmeleri analiz ederek, optik hattın sağladığı ışık hızındaki potansiyelin yazılımsal olarak ne kadar verimli kullanılabildiğini doğrulamak. (Bu katmanda HBA'ya doğrudan C# erişimi yerine WMI veya CLI gibi dolaylı yöntemlerin kullanılması gerektiği unutulmamalıdır.) Özetle: Döküman; teoride fotonların düşük enerji ve yüksek hız vaadini açıklamak, donanımda bunu pasif optik bileşenlerle fiziksel olarak birleştirmek (paralelleştirmek) ve yazılımda da bu yüksek hızlı optik veriyi C# ile okuyarak pratik bir doğrulama (PoC) yapmayı hedeflemektedir. Fiber Optik bileşenler: 4X Qlogic QLE2660 4X Qlogic FTLF8529P3BCV-QL 1X4 MM 62,5-125 ABS Tipi FBT PLC Splitter Temel Sistem Bileşenleri PC-1 – ASUS PRIME B450M-K: Yol 1: ASUS PRIME B450M-K → PCIe 3.0 x16 → QLogic QLE2660 1-Port 16Gb FC HBA → FTLF8529P3BCV SFP+ 850nm (TX1) Yol 2: ASUS PRIME B450M-K → M.2_1 → Lm-141x-v1.0 M.2 Ngff Pci-e X4 Adaptör → QLogic QLE2660 1-Port 16Gb FC HBA → FTLF8529P3BCV SFP+ 850nm (TX2) TX1 + TX2 → 1X4 MM FBT Splitter (ters 4x1, 4 girişten 2'si) PC-2 – GIGABYTE A520M K V2: Yol 3: GIGABYTE A520M K V2 → PCIe 3.0 x16 → QLogic QLE2660 1-Port 16Gb FC HBA → FTLF8529P3BCV SFP+ 850nm (TX3) Yol 4: GIGABYTE A520M K V2 → M2A_CPU → Lm-141x-v1.0 M.2 Ngff Pci-e X4 Adaptör → QLogic QLE2660 1-Port 16Gb FC HBA → FTLF8529P3BCV SFP+ 850nm (TX4) TX3 + TX4 → 1X4 MM FBT Splitter (ters 4x1, diğer 2'si) Toplama + Dönüş: TX1+TX2+TX3+TX4 → 1X MM 1X4 EVEN FBT Splitter (4 giriş aynı yerde karışır, I_total = Σ W_i·A_i) → 1x FTLF8529P3BCV SFP+ [GERİ – Dahili PIN+TIA] → RD+/RD- → QLE2660 (RX1) → PCIe → PC → C# Yazılımsal Katman: Eşikleme ve Doğrulama Alıcı uçtaki FTLF8529P3BCV SFP+ [GERİ – Dahili PIN+TIA] modülü, üzerine düşen toplam ışık gücünü (analog sinyali) elektrik akımına (RD+/RD-) çeviriyor. PIN (Photodiode): Gelen fotonları elektronlara çevirir. TIA (Transimpedance Amplifier): Bu akımı voltaja çevirip sinyali güçlendirir. C# yazılımı ise bu voltaj seviyesini okuyarak, belirli bir eşik değerine (threshold) göre mantıksal bir çıktı (0 veya 1) üretiyor. Örneğin: Eğer 4 TX kanalından sadece 1 tanesi "1" gönderirse, alıcıya ulaşan voltaj düşük olacaktır. Ancak 3 veya 4 kanal aynı anda "1" gönderirse (üst üste binme), voltaj eşiği aşacak ve sistem mantıksal bir "1" (veya toplam değeri) üretecektir. Bu, donanımsal bir Toplayıcı (Adder) veya Eşik Kapısı (Threshold Gate) işlevidir. 1. Sürücü ve Çekirdek Katmanı (qla2xxx / ql2300.sys / ql2xxx.sys) Linux (qla2xxx): Çekirdek seviyesinde çalışan bu modül, ISP8324 kontrolcüsünün başlatılmasını (init fw), Fibre Channel bağlantısının kurulmasını ve SCSI hedef/başlatıcı (initiator) haberleşmesini yönetir. Windows Storport Miniport (ql2300.sys / ql2xxx.sys): Windows ortamında yüksek performanslı depolama g/ç isteklerini işleyen Storport mimarisine bağlı sürücülerdir. Donanım ile işletim sistemi arasındaki ham veri transferini (DMA, SerDes) koordine eder. 2. Uygulama ve Yönetim Katmanı (hbaapi.dll / WMI) İşletim sistemi üzerinden kartın durumunu izlemek, port istatistiklerini çekmek veya SFP modülünün optik güç (DDM) değerlerini okumak için kullanılır. hbaapi.dll (Industry Standard FC-HBA API) veya Windows üzerindeki WMI MSFC_* sınıfları aracılığıyla kartın link durumuna programatik olarak erişilebilir. 3. Programlama Dilleri ile Entegrasyon (C#, C++, Python) Bu dillerle yazacağınız yazılımlar doğrudan HBA sürücüsüne veya SFP'nin içindeki analog sinyallere müdahale edemez, ancak yönetim katmanında şu görevleri üstlenebilir: C++: Genellikle hbaapi.dll kütüphanesini P/Invoke veya doğrudan C-Style DLL import ile çağırarak düşük seviyeli port sorgulamaları yapmak için en uygundur. C#: System.Management namespace'i üzerinden WMI sorguları çalıştırarak veya C++ ile yazılmış sarmalayıcıları (Wrapper) kullanarak sistem durumunu arayüze yansıtmakte kullanılır. Python: wmi kütüphanesi veya harici betikler aracılığıyla HBA kartının durumunu periyodik olarak loglamak ve izlemek için tercih edilebilir. 1. Sistemin Temel Çalışma Prensibi 4 adet bağımsız TX kanalı (PC-1 ve PC-2 üzerindeki QLogic QLE2660 HBA’lara takılı FTLF8529P3BCV SFP+ modüllerinin içindeki VCSEL lazerler) 850 nm ışık gönderir. Bu 4 ışık, 1x4 MM FBT Splitter’ın ters (4x1) kullanımıyla tek bir fiberde fiziksel olarak üst üste bindirilir. Alıcı taraftaki SFP+ modülünün içindeki PIN fotodiyot + TIA, gelen toplam optik gücü V_RX voltajına çevirir. C# yazılımı, V_RX değerini okur ve eşik seviyelerine göre mantıksal çıktı üretir. Burada A_i ∈{0,1} (kanal i nin “0” veya “1” göndermesi), Wi ise o kanalın alıcıya ulaşan optik gücüdür (kalibrasyonla belirlenir). 2. AND Kapısı Amaç: Çıkış yalnızca 4 girişin tamamı “1” olduğunda “1” olsun. Yöntem: Alıcı voltajı V_RX 4 kanal da “1” iken ulaşılan maksimum seviyeye (V_4) yakın olur. Tek bir eşik değeri seçilir: V_th,AND =V_4 −Δ Burada Δ, kanallar arası güç farklarını ve gürültüyü tolere edecek küçük bir paydır (örn. %5–10). C# tarafında: bool AND = (V_RX >= V_th_AND); Dikkat: 4 kanalın optik güçleri eşit değilse, en zayıf kanalın “1” seviyesi baskın olur. Bu nedenle W_i kalibrasyonu önemlidir. 3. OR Kapısı Amaç: Çıkış, en az bir giriş “1” olduğunda “1” olsun. Yöntem: Tek bir kanal “1” iken alıcıya ulaşan minimum voltaj V_1 belirlenir. Eşik değeri bunun biraz altına ayarlanır: C# tarafında: bool OR = (V_RX >= V_th_OR); Not: V_1 sistemdeki en düşük optik güce sahip kanalın “1” seviyesine göre seçilmelidir. Aksi halde zayıf kanal “1” gönderdiğinde OR çıkışı yanlışlıkla “0” olabilir. 4. NOT Kapısı Amaç: Giriş “0” ise çıkış “1”, giriş “1” ise çıkış “0” olsun. Optik toplama doğrudan NOT üretmez; ancak referans ışık veya eşik altı/üstü karşılaştırma ile gerçekleştirilebilir. Yöntem (tek kanal için): Kanal “0” iken V_RX ≈ V_0 (karanlık seviye, yalnızca gürültü). Kanal “1” iken V_RX ≈ V_1 Eşik V_th = (V_0 + V_1) / 2 seçilir. C# tarafında: bool NOT = (V_RX < V_th);Çok kanallı NOT: Her kanal için ayrı ayrı NOT alınacaksa, kanalların uzaysal/frekans ayrımı olmadığı için doğrudan mümkün değildir. Ancak zamanlama (TDMA) veya farklı dalga boyları (WDM) ile her kanal ayrı ayrı okunabilir. Mevcut pasif toplama mimarisinde NOT, yalnızca toplam s
Author: kalkan, kamil yaşar
Language: English
Subfield: Electrical and Electronic Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7225567958