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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。6 R5 u; b0 O) [! V6 S
. 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。7 g3 I6 D2 O- t6 y/ J
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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。
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; 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。5 ?4 n( O4 B+ X8 b) D; ?* G
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:# n0 M9 e7 ~. S
器件級:0 ^7 @6 v* c8 G2 g, P8 X$ J
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
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設(shè)計(jì)級:
5 V7 r$ Q7 ~% C; F" |- ]- K7 f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! Z* N9 |: e8 g, D$ O0 d* w
+ F; ^! L; Y `" W* F+ t" Q; F
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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。
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- 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)。! u4 p- j5 H# ?2 _
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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' \6 f* K% q$ Q$ t4 C1 ~
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。) b- e0 x" h$ u5 z: y8 p2 _& Q
; y2 k/ j' i+ ^" l/ z. z2 j
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! 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)。
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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。7 D g' F5 P3 r7 \6 i
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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。
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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。
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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。' b% @" V* M' V3 n3 Z+ h p
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- 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)% s' |* ~. o- K
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。
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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。5 ^4 F |& u* M1 j
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! A6 S5 R2 Q+ g( b; f: T圖6:PEARL中動(dòng)態(tài)功率縮放的框架。9 w1 v( A+ k' S3 P7 u. N
# |# ?, 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。0 ^2 b, n* w! |8 w4 {. H
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。
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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。3 Y5 Z5 H/ J; x2 j$ {- g3 m
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; |) 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. S5 w* v+ v/ ?8 c1 h2 {
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。
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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" b8 s4 {% T& V# r' m D6 j; u- J5 j
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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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)。* g- X4 i o2 a+ @
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):% R* l- e" X- r4 i+ y
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。, c% U" p) G! x$ T9 j& n
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。
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8 `& G o, ~" _& R% s, q未來的研究方向可能包括:' m& S: d7 q, L, ~
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。2 I2 U' N% \8 C k% h+ m2 b
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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。' Q2 [( D% v8 k* [
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0 `% @1 t: v& Z7 M* k參考文獻(xiàn)5 {; }, k9 Z5 k9 o7 _4 b& X
[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. ]' K2 ]' {# P
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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