利用近似計算技術提高硅基光電子片上網絡的能源效率

逍遙設計自動化

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應用于硅基光電子片上網絡（PNoCs），以降低能耗同時保持特定應用的可接受輸出質量。
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& v$ A/ N: k! ^& x背景
" z& u* i! B: {. MPNoCs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。
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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。
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2 }$ i2 Y* Y/ M& Q圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式
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; G! Y, E3 p& O6 c) \9 d5 ?LORAX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。

5 L& ~, K- t+ XLORAX的核心思想包括：

基于信號傳播距離的自適應激光功率管理

應用特定的近似級別調整

集成多級信號技術
& j$ S9 C' ?7 U0 j0 ?[/ol]
! Z7 Y; g/ B( z6 \, O損耗感知激光功率管理
- E6 x* [& Z; V3 n+ J5 q- H: sLORAX采用損耗感知方法在運行時調整激光功率。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。
5 _, Y; y8 |" O
4 ], _6 v: P( Y8 y5 o4 `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

信號是否應該被截斷以節(jié)省能源
0 y, P. ~# l# f0 f) X[/ol]

* j! p# n% A% r
圖2：提出的LORAX框架概述
2 F. N9 f1 ^3 B* [
5 J0 C, Q( u# \4 e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，可通過片上激光驅動器動態(tài)控制。網關接口（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動器。

! A) G( b- y' a, ULORAX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 Z: I7 d9 P1 T$ Z4 {' x這通過以下方式實現(xiàn)：

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
# X8 R' Y5 ?* H% v  l# Y4 F; a
集成多級信號技術
LORAX還探索了多級信號技術的使用，特別是4級脈沖幅度調制（PAM4），作為傳統(tǒng)開關鍵控（OOK）調制的替代方案。PAM4允許每次調制傳輸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。

* l. B* S# }9 G" X# W" N
圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率
3 J3 p7 p! x( _( v# G; c* ~  i
) j; g: G% U% E) Z' m) W; Y- U  n實驗設置和結果
LORAX框架在具有64個核心的Clos PNoC架構上進行了評估。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。
& P% X7 i5 Q; m

圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構
4 w+ n$ F  c5 {! I7 O8 @7 \$ E
應用特定近似敏感性分析
: \* w8 o+ v* t2 s! ^9 a對各種應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 `' @# e3 |( r* I( |; `8 S
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
5 `0 [6 [* ^" B8 L[/ol]
9 j  [/ H5 S. t2 h

2 ]9 M2 S) d- m: N圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準測試在大輸入工作負載下，應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)
# G2 R, E  S/ R5 _- B- Z
這項分析的結果用于確定LORAX的應用特定激光功率強度控制設置。表1總結了每個應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%。


表1
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比較結果
3 A: p; n/ P7 X/ c: I9 A7 i8 JLORAX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
3. 靜態(tài)截斷方法

1 h* B* H6 o* R% a1 i評估了LORAX的兩種變體：
* \* a8 z$ N* e) y; K1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關鍵控調制
  A: r- }! t; L% |2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調制

. C! {$ }% T& `
- ^3 ?- a( F1 m1 H0 H6 c/ M: z. z圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較

主要發(fā)現(xiàn)：
2 p+ y" ^' v+ V/ z. X& W$ R6 t! d" Y1 i1. 能量每比特（EPB）降低：
9 f- k( v% \* u: Z( I- N9 k

LORAX-PAM4：比基準Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準Clos低2.5%
/ Q2 _9 Z! }" s# ~5 ]
1 `# I# e5 K6 N8 t2. 激光功率降低：

LORAX-PAM4：比基準Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準Clos低12.2%
* \- K$ P$ e7 J! K& F& \7 M" C
3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應用）：

LORAX-PAM4：激光功率比基準Clos低達39.7%
" C% Q( N  ]: S3 V# ]
- _/ I  c2 ^) b" h" {% I結論
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。
6 K* b/ b) A/ P& [% h; I9 Q
6 U' D) W+ P8 `/ O& N" T  a, o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近似。

應用特定近似級別調整對于保持可接受的輸出質量非常重要。

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

必須針對每個應用程序仔細考慮能源節(jié)省和輸出精度之間的權衡。
[/ol]
+ G8 Y+ k" r. B0 A& E未來研究方向可能包括：

探索更先進的多級信號技術

開發(fā)自動化工具以確定最佳近似設置

研究LORAX對其他類型PNoC架構的適用性

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
[/ol]
* |& s; z3 |* E8 \6 L! `8 \+ ^通過利用像LORAX這樣的近似技術，設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)。

參考文獻
, w$ j+ O; Q1 ?[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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9 }, w8 w2 c* j* r8 Q1 F% ?- END -

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