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。
. ~" J  u! B. \$ q" E. k# d4 W. G
背景
PNoCs利用在片上波導(dǎo)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(biāo)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。
+ J8 T# r1 y3 }% d
- H- b+ z( h  t浮點數(shù)據(jù)表示遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)，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。

: A3 ^7 ?, m5 l: s$ t3 y  \
# Y0 q9 |+ z6 ^" r& Y" j0 P8 C5 U# }圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式
; }3 |& y' ?6 o6 A% c5 m
7 }. M0 {5 u: s: oLORAX框架
8 o$ h; }( M9 v' R0 D$ {$ Q! d( G# G6 Z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。
  i1 q: E+ N. Y, S
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)
[/ol]
損耗感知激光功率管理
" P5 [  G; j" OLORAX采用損耗感知方法在運行時調(diào)整激光功率。對于波導(dǎo)上的每次通信，根據(jù)源端和目標(biāo)端之間的距離計算信號遭受的損耗。

0 j. C5 o  }' P9 T; x" b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(zhǔn)確恢復(fù)

信號是否應(yīng)該被截斷以節(jié)省能源
- N" V8 [* z1 p5 \+ \( _[/ol]

- N; c& B9 f6 x3 u, j4 b" R1 V
圖2：提出的LORAX框架概述
! @) g1 n3 o# P5 j( |! C) t
+ R+ _0 Y. u4 Q* F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。
( S! \3 f. [5 g* }" y) A
LORAX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)
3 n5 M* g6 w: B. B' S  C
  k2 [( |3 }( Y5 T這通過以下方式實現(xiàn)：
# A' c# t4 F0 G" R9 j' N

源代碼注釋生成可近似數(shù)據(jù)的標(biāo)志

每個GWI中的查找表，包含到目標(biāo)的損耗值
; {/ F5 X8 j5 d
集成多級信號技術(shù)
9 e6 ]8 W. [+ Z# G/ w% v0 [8 xLORAX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。


  v' o, V, _$ ^8 k3 F( [, L3 H圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率

2 y+ d1 p2 g# q6 n% h8 |( K實驗設(shè)置和結(jié)果
LORAX框架在具有64個核心的Clos PNoC架構(gòu)上進(jìn)行了評估。模擬使用gem5進(jìn)行全系統(tǒng)模擬，并使用基于Systemc的周期精確模擬器對PNoC進(jìn)行模擬。


! k# J2 [. f/ C  }圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構(gòu)

應(yīng)用特定近似敏感性分析
對各種應(yīng)用程序進(jìn)行了全面研究，分析了浮點數(shù)據(jù)近似對其敏感性。

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
7 J6 y* F- {5 I9 w[/ol]

: t4 N. F8 B4 `
圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準(zhǔn)測試在大輸入工作負(fù)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)
. o) Z- R' D) |# E
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%。
9 T3 v7 J% n: a2 p9 |1 g# J1 {

表1
0 U* @) g) Q" G' Z7 n2 J
" F) ^" u: m% L比較結(jié)果
LORAX框架與以下方法進(jìn)行了比較：
/ F' s% ~  f) R1. 無近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
( a; l# S& [" c; m3 M2. 文獻(xiàn)中現(xiàn)有的近似框架
3. 靜態(tài)截斷方法

. \* H+ o$ N4 j6 D6 c, {' n評估了LORAX的兩種變體：
% g9 b* G6 e% _1 T0 b0 y8 j1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關(guān)鍵控調(diào)制
$ B# b) g8 P, r3 |" g4 x" \2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調(diào)制

& T8 W5 |2 I9 a. J; \% S( C2 }
( k3 K# S% _; ?1 ]6 O, C圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較
# W/ r. X) B( X# H& L4 S
) ?! ]2 }3 h" `( F3 z& Y4 n! @7 ^主要發(fā)現(xiàn)：
) P' d. l9 d, x1 V. ^1 @1. 能量每比特（EPB）降低：

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低2.5%
% \# u9 }8 z* @$ a, F5 a
! \7 L! ~3 N- c% C! }. }4 I2. 激光功率降低：

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低12.2%
: P- b. W. S/ O6 `0 q% @' M
% y0 m- u) M! @) o4 e' {3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：

LORAX-PAM4：激光功率比基準(zhǔn)Clos低達(dá)39.7%

結(jié)論
LORAX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。
. {# w+ p6 g( Z% S- R# A: `
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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(kuò)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
[/ol]
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)。
* }: t3 K: `; {
參考文獻(xiàn)
[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.
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& g3 M  l* ?2 s1 b* z- END -

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