光學片上網(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。

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。

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* r4 H0 Z  }/ P9 @ONoC架構(gòu)概述
- a/ V; u8 ^/ o/ J6 n- \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） 光學路由器Cygnus
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該圖顯示了基于2D網(wǎng)格的ONoC架構(gòu)。由光學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）。
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ONoCs的熱挑戰(zhàn)
- }% P4 P! _. g* \" n* `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(shù)。
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抗工藝變異的光學溫度傳感器（PV-OTS）
PV-OTS的新型溫度傳感器設(shè)計實現(xiàn)ONoCs中準確和高效的熱監(jiān)測：

圖2：抗工藝變異的光學溫度傳感器（PV-OTS）設(shè)計
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: O- n3 E6 v1 Q+ Z. oPV-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。

" D: [0 ?" ]4 y% r! Q關(guān)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(jié)果顯示測量精度有顯著提高：

1 I: z5 b  F$ b; d( F! U/ W/ E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。
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4 U9 i0 j  p8 F% aPV-OTS在25-105°C的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了僅0.8650°C的平均不準確度，與單MR傳感器相比，精度提高了86.49%。

5 z$ k- \4 Y; D" {$ _  a- {" cONoCs中的熱可靠路由
0 L% s9 m* ~6 [4 m3 ?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。
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5 C5 b; \" B0 X! p$ d2 C( A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
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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。這導致了圖4（b）所示的I/L/Z形路由路徑。

避免沖突的路由方法
2 t/ `) n! K- J. V6 n- X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：

! a- ^' Q+ Y, S7 R1. 基于混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）的路由方法：
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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，但計算復雜度較高

/ ~$ N5 s# Y# d& o0 g! W2. 沖突感知路由（CAR）啟發(fā)式算法：

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

/ \8 m. y; F3 L- n2 R4 a5 sCAR算法的工作原理：

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

  [' }  _7 Q& T8 |) s! h性能評估
8 U- B2 l! q+ k3 H8 l( S- j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(shù)的有效性。結(jié)果與最先進的技術(shù)（如DyXY和TSR）進行了比較：

圖5：在均勻流量模式下不同技術(shù)的有效性比較

/ w7 F/ c! z- _, B+ ]+ ]7 K圖6：基于真實基準的不同技術(shù)有效性比較
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* |7 @0 j3 {" ]* N8 B/ W* E主要發(fā)現(xiàn)：
1. 基于MILP的方法實現(xiàn)：

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%
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/ z$ ?+ O  S! Q( v1 M1 |2. 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%。

3 S6 K) A3 X9 s6 S3 ?- d2 C6 h3. MILP和CAR方法在保持與TSR相當?shù)哪茉葱�率的同時，在通信性能方面顯著優(yōu)于DyXY。

4. 真實基準的結(jié)果顯示一致的改進，MILP實現(xiàn)：
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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%
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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(nèi)。
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+ w$ ^. }2 j) k* ^, Z( H結(jié)論
3 y2 g0 F+ v- g; }本文提出了全面的方法來優(yōu)化基于WDM的光學片上網(wǎng)絡(luò)的熱可靠性、通信性能和能源效率。
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主要貢獻包括：

抗工藝變異的光學溫度傳感器（PV-OTS）設(shè)計，用于準確和高效的熱監(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
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這些技術(shù)相對于現(xiàn)有解決方案顯示出顯著的改進，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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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)光學片上網(wǎng)絡(luò)的全部潛力。
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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.

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