利用近似計算技術(shù)提高硅基光電子片上網(wǎng)絡(luò)的能源效率

逍遙設(shè)計自動化

引言
隨著現(xiàn)代計算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量的快速增長，確保能源高效和容錯處理變得越來越具有挑戰(zhàn)性。近似計算作為有前途的解決方案應(yīng)運而生，通過犧牲一些計算精度來換取更高的能源效率。本文探討了如何將近似計算技術(shù)應(yīng)用于硅基光電子片上網(wǎng)絡(luò)（PNoCs），以降低能耗同時保持特定應(yīng)用的可接受輸出質(zhì)量。

- H9 T8 H" R( V4 c3 R! F; K6 _背景
8 O/ N5 L0 p5 w( n" hPNoCs利用在片上波導中傳播的光信號，實現(xiàn)處理器核心之間的高帶寬、低延遲通信。然而，光信號在傳播過程中會遭受各種損耗，需要高功率激光器來確保目標端能夠無誤地恢復(fù)數(shù)據(jù)。這種高激光功率需求是PNoCs整體功耗的主要來源之一。

浮點數(shù)據(jù)表示遵循IEEE-754標準，由三部分組成：符號位、指數(shù)位和尾數(shù)位。相比符號位和指數(shù)位，尾數(shù)位通常對近似計算更具韌性。
; ^% q5 t' H+ Z3 T+ |
: Z! R3 O1 K. k$ @
圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式

# K( F6 G, V  `) t7 bLORAX框架
本文重點介紹LORAX（LOss-awaRe ApproXimation，損耗感知近似）框架，通過智能近似浮點數(shù)據(jù)傳輸來降低PNoCs中的激光功耗。

LORAX的核心思想包括：

基于信號傳播距離的自適應(yīng)激光功率管理

應(yīng)用特定的近似級別調(diào)整

集成多級信號技術(shù)
' e5 R1 V' _6 E) ?[/ol]
- e9 O# l9 T  K# a* X% W, X損耗感知激光功率管理
LORAX采用損耗感知方法在運行時調(diào)整激光功率。對于波導上的每次通信，根據(jù)源端和目標端之間的距離計算信號遭受的損耗。

這使LORAX能夠確定：

信號是否可以在降低激光功率的情況下準確恢復(fù)

信號是否應(yīng)該被截斷以節(jié)省能源
[/ol]


% L' t  X8 y7 Y圖2：提出的LORAX框架概述

該框架使用垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSELs）組成的片上激光器陣列，可通過片上激光驅(qū)動器動態(tài)控制。網(wǎng)關(guān)接口（GWI）連接電子層和PNoC，并將期望的激光功率強度級別傳遞給驅(qū)動器。

' o; h( |3 G+ ]/ c0 a6 zLORAX要求每個源節(jié)點知道：

何時在截斷和降低激光功率之間切換

數(shù)據(jù)包是否包含可近似數(shù)據(jù)
. R) Z4 K+ e5 }. k( J( W. M' g" E
這通過以下方式實現(xiàn)：
+ U5 T& [. w  R1 d, T

源代碼注釋生成可近似數(shù)據(jù)的標志

每個GWI中的查找表，包含到目標的損耗值

集成多級信號技術(shù)
, A9 Z: R1 \) h/ ^, oLORAX還探索了多級信號技術(shù)的使用，特別是4級脈沖幅度調(diào)制（PAM4），作為傳統(tǒng)開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制的替代方案。PAM4允許每次調(diào)制傳輸2位，可能增加帶寬和能源效率。然而，由于多個信號級別彼此接近，因此更容易出現(xiàn)比特錯誤。
- j2 b, k# S7 o
4 {' \- v& y+ x& g
圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率

9 t8 W" ?5 k9 \8 w4 f實驗設(shè)置和結(jié)果
) H& q5 V+ o4 m9 a+ J: BLORAX框架在具有64個核心的Clos PNoC架構(gòu)上進行了評估。模擬使用gem5進行全系統(tǒng)模擬，并使用基于Systemc的周期精確模擬器對PNoC進行模擬。

- F- K5 Y! Z; X- I2 Y+ E
2 _  Y7 w' A6 J& A, L' z; ^) C圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構(gòu)
4 S, Z3 w* L, J" W! a/ N3 k: o
應(yīng)用特定近似敏感性分析
% |- a; B( Z' }8 z對各種應(yīng)用程序進行了全面研究，分析了浮點數(shù)據(jù)近似對其敏感性。
. A5 N3 p6 R- l+ n1 B/ d, Q$ b
: J* `4 R/ V. L1 v& d& @這涉及變化：

近似的最低有效位（LSBs）數(shù)量

LSB信號的激光功率降低程度
[/ol]

' o* B$ m6 J* X$ W( x; q( z  v: F
圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準測試在大輸入工作負載下，應(yīng)用程序輸出百分比誤差（PE）作為近似LSB信號數(shù)量和LSB信號激光功率降低的函數(shù)

8 r* w" ]5 N  v4 X- p5 @這項分析的結(jié)果用于確定LORAX的應(yīng)用特定激光功率強度控制設(shè)置。表1總結(jié)了每個應(yīng)用程序的最佳可近似位組合和激光功率傳輸水平，確保輸出誤差不超過10%。
* ]" B; f# d1 g
& `2 ?3 x: N' ~& L
表1

比較結(jié)果
# e, D6 C6 t4 H5 dLORAX框架與以下方法進行了比較：
1. 無近似的基準Clos PNoC
2. 文獻中現(xiàn)有的近似框架
- }$ U+ Z/ d" l- }4 R1 c" j7 X3. 靜態(tài)截斷方法

& a# L# T( H, k+ n5 n* V評估了LORAX的兩種變體：
1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關(guān)鍵控調(diào)制
2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調(diào)制

* y3 K: `' {* {& G5 H0 d
. H" @5 I) u  e8 @& P" V圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較

/ o/ O$ J# {. j; U) w1 P主要發(fā)現(xiàn)：
0 S  f! l6 U3 e+ c) D1. 能量每比特（EPB）降低：

LORAX-PAM4：比基準Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準Clos低2.5%

, c/ Z. C7 l+ S2. 激光功率降低：
9 L3 c, t6 ]5 q* p% ~. C* U

LORAX-PAM4：比基準Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準Clos低12.2%

3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
6 x1 z3 q& A3 I! V* O0 Y

LORAX-PAM4：激光功率比基準Clos低達39.7%

  l" I7 f2 u# E& q+ p結(jié)論
: [+ m7 h) a4 M4 P% WLORAX框架展示了通過智能近似浮點數(shù)據(jù)傳輸在PNoCs中實現(xiàn)顯著能源和激光功率節(jié)省的潛力。
  @5 J) z1 R5 _6 g' [/ k
主要要點包括：

損耗感知激光功率管理允許基于信號傳播距離進行自適應(yīng)近似。

應(yīng)用特定近似級別調(diào)整對于保持可接受的輸出質(zhì)量非常重要。

集成多級信號技術(shù)（如PAM4）可進一步提高能源效率，盡管增加了復(fù)雜性和易出錯性。

必須針對每個應(yīng)用程序仔細考慮能源節(jié)省和輸出精度之間的權(quán)衡。
[/ol]
未來研究方向可能包括：

探索更先進的多級信號技術(shù)

開發(fā)自動化工具以確定最佳近似設(shè)置

研究LORAX對其他類型PNoC架構(gòu)的適用性

擴展框架以支持浮點數(shù)據(jù)以外其他數(shù)據(jù)類型的近似
* |4 ]4 q, Q3 C' |1 R  I" G[/ol]
& \/ Q" i- n4 A+ |8 S5 M! U通過利用像LORAX這樣的近似技術(shù)，設(shè)計者可能克服未來高性能計算系統(tǒng)中使用硅基光電子互連的一些能源效率挑戰(zhàn)。
8 _4 W' f! P0 A
! i7 P' L0 H8 F1 _! E參考文獻
: X- K0 T1 B5 Q& [6 B- b0 \$ d6 V7 ]; l[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
1 @0 A: x4 R3 {8 r. _* M
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