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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" i3 U& p4 l: J% R背景
8 F3 j2 v% Y& a% C3 s9 c7 C( vPNoCs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。

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。


' I. r- a* Y1 _( f5 c& x: u圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式

, w5 ]2 z! o9 O6 j3 }& C1 S  L) }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。
: v& y9 P. ]  I! ^% S  Z5 ^
7 K% N" G& m6 _6 @# p* i3 fLORAX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
[/ol]
損耗感知激光功率管理
LORAX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。

+ ?# Q- \5 D) X6 q+ K1 Z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
4 r0 ^- u' K7 n: u[/ol]


$ Y- {; F8 q1 \4 J圖2：提出的LORAX框架概述

7 s/ b' L; B6 [+ F9 x+ R' q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。

LORAX要求每個源節(jié)點知道：
6 d6 b! c1 d+ S+ i

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)

: {* r1 G9 E! F) y# R9 m這通過以下方式實現(xiàn)：
0 r# B5 z, G: o( f+ I0 }* h  q

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

; U- t1 j. T2 R4 v1 u4 `集成多級信號技術
8 S# M; j$ y+ O% Y$ o! nLORAX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。
; \, E+ t3 R" c/ l/ J& `

圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率
+ _2 g4 V$ G/ r% }2 H* Q
5 Q& U6 }2 ]. s" j: q" O+ }實驗設置和結果
+ p  K" o/ ^6 k2 ~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。

$ p5 A2 ~+ T$ }7 m& s
" D; n+ |& k/ p0 D1 r- t圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構

應用特定近似敏感性分析
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。
% X7 e0 Z# I! T" Y5 _9 F
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]


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)
, _3 ^: M, u7 D. f1 Y. \
0 G' O3 o9 D- T0 W6 E6 S; m+ g$ n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%。
' P; X  ?4 m4 V( ]1 w1 [9 Y& i

表1
' r" U6 l* Y! w0 r7 j% _3 s5 m
比較結果
LORAX框架與以下方法進行了比較：
# l" ?" \! D! j1. 無近似的基準Clos PNoC
0 N0 }( Y( ~- k5 V: |2. 文獻中現(xiàn)有的近似框架
3 j. A5 |3 I: A3. 靜態(tài)截斷方法
! }; C9 w' L5 j6 v1 [/ e( G2 w
評估了LORAX的兩種變體：
1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關鍵控調制
2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調制

1 k( g. t# o5 L# Q
. V6 X" J6 g) T6 W5 |) o" 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
0 ?% j' N2 j, B$ `
6 _: n+ p1 f, M主要發(fā)現(xiàn)：
1. 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%
) _$ h& ~1 [" `7 b$ y% `
/ I+ U' M1 r8 N  t# O2. 激光功率降低：
5 n+ u" i* m8 W- T; x3 Y3 E( t

LORAX-PAM4：比基準Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準Clos低12.2%

- U& B( c: G. z3 a& O3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應用）：

LORAX-PAM4：激光功率比基準Clos低達39.7%
/ U# d8 R$ f" Y# F
結論
& a' T: T$ _, Q6 [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。
+ g  ~; Y) K( u0 l, 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。
) ~& D- i% J0 p7 L: h4 p* r6 G[/ol]
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]
1 r6 L9 t' _2 {( x: n0 T+ `5 r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)。
) W! g1 Y! g3 I) P' R8 }! |9 M/ W
  T( J' q* h  s參考文獻
) L) x: A9 p+ v( v: |[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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