2.5D系統(tǒng)中硅基光電子網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級管理

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
! D4 h( h8 k+ T8 P1 u  Y9 O隨著計(jì)算系統(tǒng)向支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型應(yīng)用的大型多核芯片發(fā)展，2.5D集成正成為有前途的平臺(tái)。在2.5D系統(tǒng)中，多個(gè)較小的chiplet集成在一個(gè)大型中介層芯片上。這提供了更高的制造良率和異構(gòu)集成等優(yōu)勢，但也為片上通信網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)。
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傳統(tǒng)的電氣鏈路難以為大型多核芯片提供所需的帶寬密度。硅基光電子鏈路正發(fā)展成為高帶寬、低延遲的替代方案。然而，微環(huán)諧振器（MRR）等硅基光電子器件對熱變化和制程變化非常敏感，這可能導(dǎo)致諧振偏移并影響通信可靠性。

. g& W  U, r  @0 v2 U. t% B6 A- S. {本文探討了在2.5D系統(tǒng)中管理硅基光電子網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級技術(shù)，重點(diǎn)是減輕熱變化和制程變化的影響，以提高能源效率。


光學(xué)器件的熱敏感性和制程敏感性
* G2 i) j2 `7 q4 r' o& gMRR是硅基光電子鏈路中的關(guān)鍵組件，用于數(shù)據(jù)調(diào)制和濾波。MRR的諧振波長由其物理尺寸和材料特性決定。導(dǎo)致MRR諧振波長偏移的兩個(gè)主要因素是：

熱變化：硅具有高熱光系數(shù)，使MRR對溫度變化非常敏感。觀察到的偏移量為70-100 pm/K。

制程變化：制造挑戰(zhàn)導(dǎo)致MRR尺寸變化，使諧振波長偏離設(shè)計(jì)意圖。
" I7 N! y" W. N# J& t' Q+ ^[/ol]
; w# V* r; n- D, S  Q6 [7 u這些變化可能導(dǎo)致發(fā)射器和接收器MRR之間的不匹配，影響鏈路完整性。

3 k- `, E! n* Z: r' K, D器件級和設(shè)計(jì)級緩解技術(shù)
/ ~& f* ?* q5 n7 z* E5 ~! `在器件和芯片設(shè)計(jì)層面存在幾種方法來解決熱敏感性和制程敏感性：
器件級：

使用電阻加熱器進(jìn)行主動(dòng)熱調(diào)諧

使用負(fù)熱光系數(shù)材料設(shè)計(jì)非熱敏MRR

將MRR嵌入馬赫-曾德爾干涉儀
1 f6 I& Y5 N: j) Z
設(shè)計(jì)級：
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處理器和光電子層的熱解耦

光電子組件的熱感知布局和布線



圖1：多核系統(tǒng)的橫截面視圖，顯示處理器裸片和光電子裸片之間的絕緣層。
; t; @6 o; P, m9 c' `5 }4 C1 w8 f) o
- n  d  S/ y  s2 _$ N1 F1 t這些技術(shù)有效，但不考慮運(yùn)行時(shí)工作負(fù)載特性。這為系統(tǒng)級管理提供了機(jī)會(huì)。


系統(tǒng)級管理技術(shù)
+ M, ?2 M2 v9 g; U工作負(fù)載分配和遷移
RingAware是一種工作負(fù)載分配策略，在通信MRR周圍維持相似的功率分布，以最小化熱變化的影響。該策略根據(jù)核心與MRR的距離進(jìn)行分類，并分配線程以最小化熱梯度。

; y2 k/ j' i+ ^" l/ z. z2 j
! I: F/ T' {$ J' t* s4 j圖2：使用Clustered和RingAware策略的片上最高溫度和熱梯度。
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Therma在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過運(yùn)行時(shí)線程遷移在整個(gè)工作負(fù)載執(zhí)行過程中保持通信MRR周圍的相似熱活動(dòng)。
  u- R( H* y6 W
FreqAlign進(jìn)一步考慮了熱變化和制程變化。它不僅維持相似的熱活動(dòng)，還旨在匹配通信MRR的實(shí)際諧振波長。

" u; e# F( \2 Q
圖3：使用（a） Clustered，（b） RingAware和（c） FreqAlign策略時(shí)MRR組之間的平均諧振頻率差異。每個(gè)柱狀圖對應(yīng)一個(gè)工作負(fù)載+系統(tǒng)利用率。
2 H- y6 Z1 s& e8 L7 d9 k* w6 W

圖4：使用（a） Clustered，（b） RingAware，（c） FreqAlign + TFT和（d） FreqAlign + AFT進(jìn)行熱調(diào)諧所需的加熱功率。
$ {# m1 y1 f) ^
LIBRA結(jié)合了反應(yīng)式器件級技術(shù)和主動(dòng)式系統(tǒng)級線程遷移。根據(jù)每個(gè)MRR的校準(zhǔn)邊界溫度，動(dòng)態(tài)選擇熱修整或熱調(diào)諧。


- e2 A9 E: g4 x5 x+ W圖5：（a） fluidanimate和（b） radiosity應(yīng)用程序執(zhí)行期間的實(shí)際溫度和預(yù)測溫度。
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4 r; s$ b3 @& f/ d功率縮放技術(shù)
上述技術(shù)側(cè)重于減少熱調(diào)諧的加熱功率，但整體光電子功率還取決于激光功率和電光轉(zhuǎn)換功率。PEARL和WAVES等技術(shù)通過動(dòng)態(tài)縮放光學(xué)通道來解決這個(gè)問題。
4 B7 J" J1 y# ~1 a
PEARL使用粗粒度反應(yīng)式方法結(jié)合主動(dòng)式機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測帶寬需求并相應(yīng)地縮放激光功率。

1 S" K1 P! C# L) t4 b6 {5 l" s
! A6 S5 R2 Q+ g( b; f: T圖6：PEARL中動(dòng)態(tài)功率縮放的框架。

# |# ?, L# [# b7 GWAVES在考慮熱變化和制程變化的同時(shí)，選擇應(yīng)用程序所需的最少光學(xué)信號（波長）數(shù)量。它激活最佳波長組合以最小化調(diào)諧范圍。

  Y! U" v* Z& W. u8 l; d/ S) [PROWAVES通過考慮應(yīng)用程序執(zhí)行期間的動(dòng)態(tài)帶寬需求來增強(qiáng)WAVES。它使用時(shí)間序列預(yù)測來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并主動(dòng)選擇光學(xué)通道。
/ {* C2 `. M5 ^" e1 J1 U/ p
, Z+ s/ ~4 [9 L/ t6 O: y8 s
圖7：應(yīng)用程序執(zhí)行期間硅基光電子鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量。應(yīng)用程序有數(shù)據(jù)包傳輸量較高的階段和較低的階段。

5 @+ j; {4 ?# W; {5 O1 j) J. X  c
; |) Z) o  U) \1 {' A: w圖8：PROWAVES的流程。每個(gè)時(shí)間間隔，ARIMA預(yù)測網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。將預(yù)測值與實(shí)際值進(jìn)行比較以調(diào)整模型（如果出現(xiàn)偏差）。線性回歸模型使用預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)選擇光學(xué)信號。
& m) X$ `0 M- C; c! Q" I1 j

8 S1 G$ J: O5 G; w7 o應(yīng)用程序級儀器輔助（instrumentation-assisted）
" T: A, g/ V' d2 X' V1 h# y片上通信流量和溫度分布也取決于軟件實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序儀器輔助可以為系統(tǒng)級策略提供特權(quán)信息，以便更好地決策。
3 b) V( e5 Q2 D. f5 x& f5 Y
圖9：應(yīng)用程序儀器輔助（instrumentation-assisted）帶寬分配技術(shù)的框架。
, X' p9 y/ X' Z/ u  A" b
與非儀器（non-instrumented）版本相比，PageRank算法的儀器版本使用WAVES實(shí)現(xiàn)了35%更高的光電子功率減少。
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. N3 t; `, F6 w$ m6 D) ~結(jié)論
硅基光電子網(wǎng)絡(luò)為大型多核芯片提供了高帶寬、低延遲片上通信的有前途的解決方案。然而，對熱變化和制程變化的敏感性帶來了重大挑戰(zhàn)。

  e0 G' j" i# S( K/ Z. D, G本文探討了各種系統(tǒng)級管理技術(shù)來解決這些挑戰(zhàn)：

考慮熱變化和制程變化的工作負(fù)載分配和遷移策略（RingAware、Therma、FreqAlign、LIBRA），以最小化通信MRR之間的諧振不匹配。

基于帶寬需求和變化引起的諧振偏移動(dòng)態(tài)調(diào)整活躍光學(xué)通道數(shù)量的功率縮放技術(shù)（PEARL、WAVES、PROWAVES）。

應(yīng)用程序級儀器輔助，為更有效的系統(tǒng)級管理提供額外信息。

3 D+ _1 n5 J7 p# k' v這些技術(shù)在保持性能的同時(shí)顯著降低了光電子功耗。隨著硅基光電子技術(shù)的不斷成熟，這些系統(tǒng)級管理方法對于實(shí)現(xiàn)具有高性能片上通信的節(jié)能多核系統(tǒng)將非常重要。
5 z9 @( e9 q! y
8 `& G  o, ~" _& R% s, q未來的研究方向可能包括：

探索機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以更準(zhǔn)確地預(yù)測熱分布和帶寬需求。

研究在工作負(fù)載管理中同時(shí)考慮計(jì)算和通信方面的協(xié)同優(yōu)化方法。

開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序級插樁接口，以促進(jìn)變化感知系統(tǒng)管理技術(shù)的廣泛采用。

通過智能系統(tǒng)級管理解決熱變化和制程變化的挑戰(zhàn)，硅基光電子網(wǎng)絡(luò)可以充分發(fā)揮2.5D集成多核系統(tǒng)在下一代計(jì)算應(yīng)用中的潛力。

) p8 o* S7 a" [# a& j6 p
0 `% @1 t: v& Z7 M* 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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