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
! s: ?; i+ m  `% z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。

8 `: i; x. k9 X2 ?; @6 k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。
, ?) Y- f) H" F  ?1 F3 ~3 H
0 q# [* i2 A+ X; V) J$ w3 H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。
8 C; x, b; h8 G8 g/ o: X$ M

圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式

2 O) m& B# G8 _; i' ELORAX框架
2 [5 g* r. i  T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)
; _$ m( ~* C; ^+ l" F7 A' h[/ol]
損耗感知激光功率管理
4 a# o: M8 g6 p# YLORAX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)源端和目標端之間的距離計算信號遭受的損耗。
/ Z3 y( H% f8 R& V7 T0 Z' h; s2 M
( d* `, f- Y4 d: q: e, \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]

5 Z, ^5 O" {; j8 l
圖2：提出的LORAX框架概述
* O- x# f$ u5 L" f
  `6 N! M$ v$ K. v" P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。
/ I9 _& E0 y7 n% [( a
LORAX要求每個源節(jié)點知道：
( x; }5 X! d, Q1 ~  O& g7 }

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)
" F6 n& i* ^" Y- K; ~- W
8 ~- C0 {& ~6 ], D5 ^- C$ P* p0 k9 }) }  ?- f這通過以下方式實現(xiàn)：
! Q- E3 I$ S6 d9 |8 R

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

$ j1 Z8 l+ ^$ F4 w* B' y集成多級信號技術(shù)
LORAX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。


圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率

$ |  @* z- X* w* u7 K實驗設(shè)置和結(jié)果
  C0 C9 B5 k* d- h& `LORAX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。

; @( b! U0 I" O
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)用程序進行了全面研究，分析了浮點數(shù)據(jù)近似對其敏感性。
8 {) U2 z' \% f  G3 @
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]
# }( r6 G. D" o5 c6 b* N2 D
* L( ^5 e6 F" T2 h& _
3 `2 o6 n0 O6 t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)
. D! N% \% g$ ^7 o9 V; S  J# @
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%。

: b0 h# V1 X, c* @7 m* g
表1

比較結(jié)果
2 |; \9 h9 ?! Q( C0 Y: ALORAX框架與以下方法進行了比較：
1. 無近似的基準Clos PNoC
- n5 a1 E& `& }0 c' O2 h2. 文獻中現(xiàn)有的近似框架
3. 靜態(tài)截斷方法

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
" E0 \- ^" M' ^3 E! u) O+ U2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調(diào)制

; S- f3 K) U, h0 G: P
圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較

4 ^' O" i7 b* P1 r6 m  H- h  Y主要發(fā)現(xiàn)：
' {! z+ A9 k% K) J1. 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%
( V2 p" d5 d& p& ~# t
+ G7 R; `: }' ?6 U2. 激光功率降低：
: b/ \4 {8 I$ ^: s# e1 N

LORAX-PAM4：比基準Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準Clos低12.2%

4 k+ I  }7 v, R; C9 h) F$ d! K5 f4 `3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
& V, f* s' O6 [: t8 s  C! E* s

LORAX-PAM4：激光功率比基準Clos低達39.7%

結(jié)論
# x  u+ S1 r5 f) `* bLORAX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。
8 `$ Q0 e- k( ~1 O6 u% I; L
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]
3 y0 o5 W% u0 l) k2 z& `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
: c% E, @/ m, N4 t) x  o[/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)。
# _" j6 n! q* C2 m/ e+ a/ d6 b. F
  J( m; E: ^& T參考文獻
9 U( y: g2 E- \4 D[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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