光學片上網絡的熱可靠性和性能優(yōu)化

逍遙設計自動化

引言
光學片上網絡（ONoCs）已成為滿足高性能計算系統日益增長的通信需求的解決方案。通過利用硅基光電子和波分復用（WDM）技術，ONoCs可以提供高帶寬、低延遲和能效高的片上通信。然而，熱可靠性和通信性能仍然是需要解決的關鍵挑戰(zhàn)，以便ONoCs能夠廣泛應用。

: b9 o9 Y" [* a+ k本文探討了創(chuàng)新技術，以優(yōu)化基于WDM的ONoCs的熱可靠性、通信性能和能源效率。我們將討論新型溫度傳感器設計、熱感知路由方法和避免沖突的策略，以提高整體系統性能。


ONoC架構概述
讓我們首先來看看ONoC的基本架構：
; Y! y3 L6 v% Z8 s
圖1：（a） 基于網格的ONoC示意圖；（b） 光學路由器Cygnus
$ g: ]! J, d" s# _
該圖顯示了基于2D網格的ONoC架構。由光學路由器和互連組成的光子網絡實現在處理元件之上。電子控制網絡管理邏輯控制。光學路由器設計（Cygnus）說明了關鍵組件，如用于開關和波長過濾的微環(huán)諧振器（MRs）。
9 C- {! R8 A3 \. n$ h+ D( o
( Q' j8 n6 O2 A* eONoCs的熱挑戰(zhàn)
( m& I; @! @9 t, E% U芯片上的溫度波動會顯著影響光學組件的性能，特別是MRs。隨著環(huán)境溫度的變化，MRs的共振波長會發(fā)生偏移，導致功率損失和潛在的通信故障。為了解決這個問題，我們需要準確的溫度監(jiān)測和熱管理技術。
' @+ Z! s% _' m; h6 k* W
抗工藝變異的光學溫度傳感器（PV-OTS）
, o3 w$ |) t# N  [( l1 [6 r$ RPV-OTS的新型溫度傳感器設計實現ONoCs中準確和高效的熱監(jiān)測：

6 ?7 K. l2 Y8 D6 S9 C3 s$ }" L圖2：抗工藝變異的光學溫度傳感器（PV-OTS）設計

PV-OTS利用WDM技術固有的"冗余性"來減輕工藝變異（PV）對測量精度的影響。使用多波長激光源、具有多個MRs的基本光學濾波元件（BOFE）和光電探測器（PDs），根據MRs的光功率損耗來測量溫度。
% \/ f$ C; E  o: Y
關鍵思想是使用多個MRs的平均溫度預測來抵消PV引起的誤差。模擬結果顯示測量精度有顯著提高：
& n% M1 O& I) e. g& M" B
3 T* C8 V0 O5 a9 l: N, {圖3：PV-OTS設計的有效性。（a） PV-OTS與基于單MR傳感器的精度比較。（b） PV-OTS在采用密集WDM的ONoCs中實現穩(wěn)定性能。
/ ~- }: T: x8 i. K% S. D5 \( l0 d
PV-OTS在25-105°C的溫度范圍內實現了僅0.8650°C的平均不準確度，與單MR傳感器相比，精度提高了86.49%。

# k3 @$ Y3 i, W3 F6 Z& ?' L) tONoCs中的熱可靠路由
3 ?& v* }* A) U1 T) i為確保ONoCs中的可靠通信，我們需要考慮設備級和網絡級的方法：

設備級波長調諧：通過局部溫度控制補償MRs中熱引起的波長偏移。

網絡級路由準則：限制路由路徑中的開關階段數量以減少總功率損失。
[/ol]
2 E' t% v7 }, y, j2 w5 E& f

圖4：（a） 開關階段數量對路由總損耗的影響 （b） 2D網格ONoCs中的三種路由類型：I/L/Z形路由路徑
6 n: o+ Q. ]7 ^8 f) Q& \
. t+ }+ ~& x, E0 h基于模擬，將開關階段數限制在4個或更少有助于保持信號功率高于接收器靈敏度閾值。這導致了圖4（b）所示的I/L/Z形路由路徑。
" y7 ^1 U, H( ^" L$ L" \
避免沖突的路由方法
為了在確保熱可靠性的同時優(yōu)化通信性能和能源效率，提出了兩種避免沖突的路由方法：

1. 基于混合整數線性規(guī)劃（MILP）的路由方法：
, [. m) l9 a- h& k* E

將問題表述為混合整數線性規(guī)劃（MILP）模型

最小化通信沖突并最大化能源效率

提供最優(yōu)解，但計算復雜度較高
$ y2 y1 p& s5 L6 y
2. 沖突感知路由（CAR）啟發(fā)式算法：
) F. F" x  R3 }, _0 a8 @+ A5 B

多項式時間算法，用于高效路由決策

同時考慮避免沖突和能源效率

以較低的計算開銷實現接近最優(yōu)的性能
# E) y% w, y' R2 i
& a3 X8 Z1 a8 V( q6 M- {CAR算法的工作原理：
7 I, o" w2 M* O# Z/ F

識別每對通信的區(qū)域

優(yōu)先考慮區(qū)域較小的通信對

選擇在避免沖突的同時最大化能源效率的路由

性能評估
通過使用合成流量模式和真實世界基準的廣泛模擬，評估了所提出技術的有效性。結果與最先進的技術（如DyXY和TSR）進行了比較：

圖5：在均勻流量模式下不同技術的有效性比較
( s5 n3 M5 N4 V% }- |
/ b1 G$ s  }. {2 P) F圖6：基于真實基準的不同技術有效性比較
% m6 e3 _4 X* z+ i1 f. [* \  @
主要發(fā)現：
1. 基于MILP的方法實現：

與TSR和DyXY相比，通信延遲分別減少25.86%和19.39%

網絡吞吐量提高159.64%和118.25%

鏈路利用率提高61.20%和43.76%

* e! G: r, l3 x" N! G7 i2. CAR啟發(fā)式算法的性能接近MILP最優(yōu)解，平均差異僅為13.49%。

6 y0 }0 z1 `  ]* w- J3 l" o3. MILP和CAR方法在保持與TSR相當的能源效率的同時，在通信性能方面顯著優(yōu)于DyXY。

- b. a2 b/ Z7 O% u* f/ k5 f/ u. i: }4. 真實基準的結果顯示一致的改進，MILP實現：
4 ]; W3 j7 c) T# ], ?( u" \- f

與TSR和DyXY相比，通信延遲分別減少22.86%和13.84%

網絡吞吐量提高123.47%和85.75%

鏈路利用率提高50.93%和31.63%

4 W, I. @! N6 y  @) q' L1 k對于真實基準，CAR啟發(fā)式算法的性能保持在MILP最優(yōu)解的7.20%以內。
9 c  m) d4 m" ]/ T- {5 x
5 k! c) Z# f/ r# n; h結論
( {+ Z4 E; k, m1 K) w0 p3 l本文提出了全面的方法來優(yōu)化基于WDM的光學片上網絡的熱可靠性、通信性能和能源效率。
& G6 `1 f' I- A! B! P+ s( N
主要貢獻包括：

抗工藝變異的光學溫度傳感器（PV-OTS）設計，用于準確和高效的熱監(jiān)測

通過限制開關階段確保熱可靠性的路由準則

兩種避免沖突的路由方法（MILP和CAR），最小化沖突并最大化能源效率
  @  v, a6 @  @* s6 Z2 e[/ol]
1 _' f$ U9 K9 C4 f9 }這些技術相對于現有解決方案顯示出顯著的改進，為更可靠和高效的ONoC設計奠定了基礎。隨著硅基光電子技術的不斷進步，所提出的方法可以適應和擴展，以滿足未來高性能計算系統的需求。

通過解決熱可靠性和通信性能的關鍵挑戰(zhàn)，這項工作使我們更接近于在下一代計算架構中實現光學片上網絡的全部潛力。

: \: G+ J4 |, m6 X2 B& ^參考文獻
[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.
+ Q" b7 H5 f9 ?' n
- END -

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
' {* f1 B0 A2 d% o, z: @$ B
* Z" u* U6 y3 |# r歡迎轉載

& j3 J0 _0 H! I) a轉載請注明出處，請勿修改內容和刪除作者信息！
' Z( ^3 `" p; G5 E, ~- U; r
4 J$ U8 \. v  v
. _) u( y5 V' H- x3 k


, o1 q3 ^, W4 `. t& h關注我們
( a/ ]9 r% m% N
# I. u" h' \, e2 `# \5 |3 q

x: w) E, w; [$ w ; b2 \8 Z4 C; |# H, S

                     
* s8 J- J. P) J: a- O# y
7 Q4 I; Z' C* Q5 G
# Y+ x1 t7 ^1 r5 Q" P6 @
關于我們：
+ n0 k, ?+ c5 T深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

http://www.latitudeda.com/
- ]- c+ w3 j) D8 j（點擊上方名片關注我們，發(fā)現更多精彩內容）