光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的熱可靠性和性能優(yōu)化

逍遙設(shè)計自動化

引言
光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)（ONoCs）已成為滿足高性能計算系統(tǒng)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(fù)用（WDM）技術(shù)，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(guān)鍵挑戰(zhàn)，以便ONoCs能夠廣泛應(yīng)用。
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4 x% \9 N2 N+ x( k  a! \! ~' J/ s本文探討了創(chuàng)新技術(shù)，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(shè)計、熱感知路由方法和避免沖突的策略，以提高整體系統(tǒng)性能。

2 B- c" ~. h7 ^3 N. e- I# d4 ~
& O( }! N* A) QONoC架構(gòu)概述
讓我們首先來看看ONoC的基本架構(gòu)：

圖1：（a） 基于網(wǎng)格的ONoC示意圖；（b） 光學(xué)路由器Cygnus

# a9 r5 t" Q1 h1 P& d該圖顯示了基于2D網(wǎng)格的ONoC架構(gòu)。由光學(xué)路由器和互連組成的光子網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在處理元件之上。電子控制網(wǎng)絡(luò)管理邏輯控制。光學(xué)路由器設(shè)計（Cygnus）說明了關(guān)鍵組件，如用于開關(guān)和波長過濾的微環(huán)諧振器（MRs）。

ONoCs的熱挑戰(zhàn)
芯片上的溫度波動會顯著影響光學(xué)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(dǎo)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(zhǔn)確的溫度監(jiān)測和熱管理技術(shù)。
1 [& D/ N9 J7 {
% B7 l; E' Q8 y5 X抗工藝變異的光學(xué)溫度傳感器（PV-OTS）
PV-OTS的新型溫度傳感器設(shè)計實現(xiàn)ONoCs中準(zhǔn)確和高效的熱監(jiān)測：

3 z" Z2 o  W% d; [3 m8 Q# n* ?圖2：抗工藝變異的光學(xué)溫度傳感器（PV-OTS）設(shè)計
( {, L8 B: Z7 Y, p- N, t! D0 }
2 O( m% P1 {1 c" f: `' aPV-OTS利用WDM技術(shù)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(xué)濾波元件（BOFE）和光電探測器（PDs），根據(jù)MRs的光功率損耗來測量溫度。

; a5 _9 E1 B! J" T/ X* X  |關(guān)鍵思想是使用多個MRs的平均溫度預(yù)測來抵消PV引起的誤差。模擬結(jié)果顯示測量精度有顯著提高：

- S6 {: u6 _" m8 n. E3 D圖3：PV-OTS設(shè)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(xiàn)穩(wěn)定性能。
5 e" I, f- T  x' T" N2 `) M
8 [9 j; K1 E* D0 v9 @. }  sPV-OTS在25-105°C的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了僅0.8650°C的平均不準(zhǔn)確度，與單MR傳感器相比，精度提高了86.49%。
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8 o1 `2 D# Y1 O' _ONoCs中的熱可靠路由
. q; f- S4 m2 W7 P為確保ONoCs中的可靠通信，我們需要考慮設(shè)備級和網(wǎng)絡(luò)級的方法：

設(shè)備級波長調(diào)諧：通過局部溫度控制補償MRs中熱引起的波長偏移。

網(wǎng)絡(luò)級路由準(zhǔn)則：限制路由路徑中的開關(guān)階段數(shù)量以減少總功率損失。
[/ol]
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圖4：（a） 開關(guān)階段數(shù)量對路由總損耗的影響 （b） 2D網(wǎng)格ONoCs中的三種路由類型：I/L/Z形路由路徑
1 z- G+ U* B% I/ b; T; ]: S
基于模擬，將開關(guān)階段數(shù)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(dǎo)致了圖4（b）所示的I/L/Z形路由路徑。

! O  |3 t( g* x$ N, M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(shù)線性規(guī)劃（MILP）的路由方法：

將問題表述為混合整數(shù)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(fù)雜度較高
! s$ j; q* ~7 u: y9 o& y
$ H$ j' C' n9 V0 O' Q! `, R2. 沖突感知路由（CAR）啟發(fā)式算法：
/ o3 _+ ^2 Z0 u* }# X; o

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(xiàn)接近最優(yōu)的性能
1 v7 ?  t! o- \( `
6 T! C7 e# Z& ?/ h. SCAR算法的工作原理：
$ m, l+ d/ v: D* [+ m  L" _

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
# y/ z9 A& @' c  [: k
性能評估
. s' R( @# n4 L( C( T通過使用合成流量模式和真實世界基準(zhǔn)的廣泛模擬，評估了所提出技術(shù)的有效性。結(jié)果與最先進(jìn)的技術(shù)（如DyXY和TSR）進(jìn)行了比較：

1 E! h* S+ _8 V+ g3 u4 [圖5：在均勻流量模式下不同技術(shù)的有效性比較

) [, d5 ]* o# ~! ?) {圖6：基于真實基準(zhǔn)的不同技術(shù)有效性比較
( w3 B* X; Y- w3 G+ s: Z/ ]
主要發(fā)現(xiàn)：
6 F4 F, m* T3 R1. 基于MILP的方法實現(xiàn)：
- H9 }' H9 L) f; r, q$ g

與TSR和DyXY相比，通信延遲分別減少25.86%和19.39%

網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高159.64%和118.25%

鏈路利用率提高61.20%和43.76%

' u5 B% S; J! `8 J6 q2. 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%。
, U! N8 J8 k8 P
3. MILP和CAR方法在保持與TSR相當(dāng)?shù)哪茉葱�率的同時，在通信性能方面顯著優(yōu)于DyXY。
" X% S, d! J6 @) B1 T
4. 真實基準(zhǔn)的結(jié)果顯示一致的改進(jìn)，MILP實現(xiàn)：

與TSR和DyXY相比，通信延遲分別減少22.86%和13.84%

網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高123.47%和85.75%

鏈路利用率提高50.93%和31.63%
; e7 u  Y8 k" w2 T: D6 Y) {
. |. a, ?. r, p; o7 U3 c  z對于真實基準(zhǔn)，CAR啟發(fā)式算法的性能保持在MILP最優(yōu)解的7.20%以內(nèi)。
! q9 D& Z* i  i$ H; w0 C4 z. u! `! ]0 H
2 c/ Q2 ?5 U" I0 e結(jié)論
本文提出了全面的方法來優(yōu)化基于WDM的光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的熱可靠性、通信性能和能源效率。

主要貢獻(xiàn)包括：

抗工藝變異的光學(xué)溫度傳感器（PV-OTS）設(shè)計，用于準(zhǔn)確和高效的熱監(jiān)測

通過限制開關(guān)階段確保熱可靠性的路由準(zhǔn)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
[/ol]
這些技術(shù)相對于現(xiàn)有解決方案顯示出顯著的改進(jìn)，為更可靠和高效的ONoC設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。隨著硅基光電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，所提出的方法可以適應(yīng)和擴展，以滿足未來高性能計算系統(tǒng)的需求。
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3 J, G! _/ X$ A* a& Q通過解決熱可靠性和通信性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這項工作使我們更接近于在下一代計算架構(gòu)中實現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的全部潛力。

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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0 F$ H) b2 S5 U4 m& l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(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)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(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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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