光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的激光調(diào)制方案

逍遙設(shè)計自動化

引言
: p; p8 z5 v7 L; N$ L+ w隨著硅晶體管縮放接近極限，研究人員正在探索新技術(shù)以繼續(xù)提高處理器性能和效率。有前途的方向是使用片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（也稱為光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)或光學(xué)NoC）來替代傳統(tǒng)的電氣互連。與電氣網(wǎng)絡(luò)相比，光學(xué)NoC在帶寬、延遲和功耗方面具有潛在優(yōu)勢。然而，有效管理光學(xué)NoC的功耗帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。
* n9 f: @9 y; }
! o4 Q$ z- q- ~1 @, U; w8 i本文將探討用于最小化光學(xué)NoC靜態(tài)功耗的激光調(diào)制方案。我們將介紹基于網(wǎng)絡(luò)活動動態(tài)調(diào)制激光功率的關(guān)鍵概念、架構(gòu)和預(yù)測技術(shù)。

1 C3 y3 L7 D6 a) L1 K. q1 _
背景
0 `0 u8 b1 x% F9 ~' P光學(xué)NoC使用光來傳輸芯片上組件之間的數(shù)據(jù)。基本構(gòu)建模塊包括：
6 n- v6 C; E& A) _2 |, F2 V

激光器：光源，可以是片外或片上

調(diào)制器：將電信號轉(zhuǎn)換為光信號

波導(dǎo)：在芯片上引導(dǎo)光

光電探測器：將光信號轉(zhuǎn)換回電信號
* ~* D2 q6 `1 `/ p, f/ }
( R! ^& Q# }3 Z- W/ M5 I& q光傳輸本身非常高效，但產(chǎn)生光的激光器消耗大量功率。一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光子不能像電荷那樣容易存儲。這意味著激光器通常需要持續(xù)供電，即使不主動傳輸數(shù)據(jù)時也是如此。這種靜態(tài)功耗可能占光學(xué)NoC總功耗的80-90%。

為解決這個問題，研究人員開發(fā)了激光調(diào)制方案，旨在根據(jù)預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)活動動態(tài)調(diào)整激光功率。一般方法包括：

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)活動指標(biāo)

預(yù)測未來活動

相應(yīng)調(diào)整激光功率

重新配置網(wǎng)絡(luò)

讓我們看看為不同類型處理器提出的一些具體方案。

3 Z+ _. V- ^9 {) o; }9 ^% f' j, k多核CPU設(shè)計中的激光調(diào)制方案
Probe
+ @$ o" b  v1 L/ r; Y2 f最早提出的激光調(diào)制方案之一是Probe。使用64核架構(gòu)，核心分組為4x4塊。每個塊都有專用的片外激光器，可以使用單寫多讀（SWMR）總線廣播消息。

7 W0 M$ f, o9 L" r6 A. AProbe根據(jù)鏈路利用率和緩沖區(qū)利用率指標(biāo)預(yù)測未來活動。使用兩種類型的預(yù)測器：

用于低流量變化：過去和當(dāng)前利用率的加權(quán)平均

用于高變化：由利用率水平索引的模式歷史表
[/ol]
! u4 v# {6 r7 ^2 b% l8 j錦標(biāo)賽預(yù)測器根據(jù)最近的準(zhǔn)確性在兩者之間選擇。
4 L' D$ H: _5 a7 R7 i8 i* D5 c% k- d
7 A; `9 j" n+ c7 K3 k- M# R4 @) iColdBus
2 e; A; ]% r& p' s2 u: O4 tColdBus采用不同的方法，基于L1緩存未命中預(yù)測活動。關(guān)鍵洞察是在共享內(nèi)存系統(tǒng)中，大部分網(wǎng)絡(luò)流量來自L1未命中。
. t# \* n, J( T% w! D2 I
6 V  V7 M# }7 {- g使用類似于分支預(yù)測器的基于PC的預(yù)測器來識別可能導(dǎo)致未命中的指令。然后，一個時期預(yù)測器估計這些未命中何時發(fā)生。
& A2 N# s, p1 I6 g! l
ColdBus還引入了一個"額外波導(dǎo)"，為需要的站點提供應(yīng)急功率。
  d* ^) U4 \* w4 B
4 ~0 M& x5 _0 i' b) wPShaRe
! z' r, T6 ?& ~& MPShaRe在之前工作的基礎(chǔ)上有幾個關(guān)鍵創(chuàng)新：

一致性和非一致性流量的獨立網(wǎng)絡(luò)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測器

站點之間的功率共享

重用浪費的光功率進(jìn)行熱調(diào)諧
# k8 [, X! m5 M6 _& R& M[/ol]
圖1顯示了整體架構(gòu)：


圖1：PShaRe架構(gòu)，顯示連接光學(xué)站點的功率和數(shù)據(jù)波導(dǎo)。

. J8 V; }9 D# U神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器使用14個性能計數(shù)器輸入，對每個站點在下一個時期的活動進(jìn)行二元預(yù)測。
) Q; m  v- Z  O5 ?7 S  b0 f
BigBus
對于非常大的核心數(shù)（500+），需要像BigBus這樣的設(shè)計。BigBus使用分層架構(gòu)，將塊簇組成更大的單元。
) N0 k5 K- b6 C/ C- R7 U6 J: @
( \; N# l: r8 f1 U7 j7 e圖2說明了BigBus設(shè)計：


5 r: ~3 s' ^- i, f圖2：BigBus架構(gòu)，顯示由蛇形光鏈路連接的核心和緩存庫的分層組織。
0 p* B0 p& _/ A. a& J& `
" |$ C* G3 z, F5 Q' x, v$ ~BigBus使用兩階段預(yù)測過程：

每個站點根據(jù)等待時間和待處理事件決定是否增加/減少令牌

激光控制器將當(dāng)前預(yù)測與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
[/ol]
這允許在當(dāng)前條件的響應(yīng)性和穩(wěn)定性之間取得平衡。

0 C- b- n8 W& I  f
多插槽系統(tǒng)（MULTI-SOCKET SYSTEMS）中的激光調(diào)制方案
對于像服務(wù)器這樣的多芯片系統(tǒng)，像Nuplet這樣的設(shè)計將光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到插槽之間。Nuplet同時使用片內(nèi)和片間光網(wǎng)絡(luò)。
( n8 t% f0 Q. M! d
片間預(yù)測機(jī)制旨在確定要流通的仲裁令牌數(shù)量。它考慮：

發(fā)送到片間光學(xué)站（ICOS）的消息

ICOS隊列中的待處理事件
[/ol]
; B& X  }3 j" k功率請求表（PRT）存儲歷史令牌計數(shù)。預(yù)測將PRT值與當(dāng)前流量趨勢和隊列狀態(tài)結(jié)合。

GPU設(shè)計中的激光調(diào)制方案
由于GPU側(cè)重于內(nèi)存帶寬而非延遲，因此帶來了獨特的挑戰(zhàn)。GPUOpt設(shè)計將光學(xué)NoC適配于GPU架構(gòu)。
- P) F. G7 D4 L) c
圖3顯示了GPUOpt的整體架構(gòu)：


: \, Y9 h- j$ F9 t+ N* i6 c0 ?圖3：GPU光學(xué)NoC的架構(gòu)，顯示由光網(wǎng)絡(luò)連接的SM和LLC集群。
2 [1 w* h) b* b- ]2 R
GPUOpt對流式多處理器（SM）站點和最后級緩存（LLC）站點使用不同的預(yù)測機(jī)制：
- W# x- p% }, G; T1. SM站點使用基于以下因素的受限預(yù)測器（Restr_Pred）：
3 S! N" C% S$ r) k

接收的消息

發(fā)送的消息

等待時間
  q( F/ w! e! K4 F+ G
2. LLC站點使用考慮以下因素的靈活預(yù)測器（Flex_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

待處理事件

激光控制器將這些預(yù)測結(jié)合起來，確定整體功率需求。
  a. ~6 G8 a! h
! z+ C% j& P" X0 J) n) C) a0 o
/ A2 }, m) J9 E% j+ \6 |. W關(guān)鍵概念和趨勢
" [: _, y: M  R6 i8 ^+ x  m7 {雖然具體方案各不相同，但一些共同主題和最佳實踐浮現(xiàn)出來：
/ K& Y" U# u$ R$ x) N6 B1 X/ H
* B5 U0 ?  @+ p& j& z1.將時間劃分為固定時期進(jìn)行預(yù)測和重新配置
2. 使用多個輸入指標(biāo)：

網(wǎng)絡(luò)利用率

緩沖區(qū)占用率

緩存未命中率

指令類型

待處理事件
) a& O0 q  H. H0 f8 Z3. 將當(dāng)前指標(biāo)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
" H9 J0 y- C2 [, z2 ]  O. Z4 p4. 使用非線性預(yù)測函數(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）捕捉復(fù)雜關(guān)系
0 f% V- G  i3 i* ^4 l9 a5. 對不同流量類型進(jìn)行單獨預(yù)測（如一致性與非一致性）
. m4 o1 b! P8 ^+ X6. 分層設(shè)計以實現(xiàn)可擴(kuò)展性
7. 盡可能重用未使用的光功率
, a. v: Z! T( F  }8. 為特定架構(gòu)經(jīng)驗性地調(diào)整預(yù)測參數(shù)

2 J5 e' [* r7 J圖4說明了有效激光調(diào)制可能帶來的功率節(jié)�。�

6 B. K% G$ m  A/ X9 b/ J; g# t
' d( z4 W8 ^; b4 s& K2 B9 X! P+ p4 h圖4：ideal、Probe和ColdBus方案在各種基準(zhǔn)測試中的相對激光功耗。
3 s) B) i, R9 q* {/ O! f3 H# b

. w" y' m# i, r未來方向
隨著光學(xué)NoC從研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實施，可以期待這些技術(shù)的進(jìn)一步完善。方向包括：

用于更準(zhǔn)確預(yù)測的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

與應(yīng)用層知識的集成

在運行時調(diào)整參數(shù)的自適應(yīng)方案

考慮電氣和光網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化

針對新興工作負(fù)載（如AI加速）的專門化

& }3 r7 ~/ N* ^" P1 e: H; @
結(jié)論
, q3 w6 v- q# q% S9 w3 k  n3 x有效的激光調(diào)制對實現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢非常重要。通過準(zhǔn)確預(yù)測網(wǎng)絡(luò)活動并相應(yīng)調(diào)整激光功率，可以在保持性能的同時最小化靜態(tài)功耗。隨著處理器架構(gòu)繼續(xù)發(fā)展，激光調(diào)制方案需要適應(yīng)新的設(shè)計約束和流量模式。該領(lǐng)域的持續(xù)研究有望為未來計算系統(tǒng)解鎖新的能效水平。
- `% q" }/ L) _& D- u9 i- m

+ o$ m' z% f7 |5 E, }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.

( j4 m0 x9 m3 }) z7 m- END -
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