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引言
3 z7 K0 i# n/ |* S/ m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。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)。! c& v$ D2 h- B Y6 r& l" _% G
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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。
- X: m+ \( D: d+ c8 b6 d
7 D- `' p4 F- D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。
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光學(xué)器件的熱敏感性和制程敏感性1 ]4 W6 C5 }* V3 H. Z
MRR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。* U% n- l* i5 c$ T& O( i; V
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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。% X: h: Q4 _" I) O3 x4 z% |
( s/ l; { Z- ~* e器件級和設(shè)計(jì)級緩解技術(shù), ^8 m( `9 e1 \
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:
& y; f- x. r- B3 ] N器件級:5 H% R- e/ c% p; R5 l
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( z& ^! t: X0 }- U
$ c. I) h% ^5 D- T i設(shè)計(jì)級:
: ?. O- S6 J$ ^8 l! b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7 v( Q1 {$ ]; |. ~
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0 ]3 a5 r* d5 V0 N* H/ w) _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。7 H- t+ s- O/ b+ W" t; l
; B2 _0 m; K0 Z3 V; H
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)。. ]. d( R3 k4 T- J8 r
; _6 l. ?/ |$ Z' ]9 K3 o6 K& F
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系統(tǒng)級管理技術(shù)% N! j# X9 O7 O
工作負(fù)載分配和遷移
3 y* g( C! M$ s) D3 V; \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。2 I" T$ E+ \' U
$ \2 [6 X$ I- |; B! ?
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. I* q" x4 I4 N+ i4 Q u# y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)。# k2 S; g; c8 c$ O$ L) S3 f
3 X6 I" Q2 R3 C B6 GFreqAlign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。
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+ q$ J4 d, y% ~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。- L2 }* d B8 W1 ^% w
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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。2 w* ]/ F( D: A- H4 J
6 M; [/ ^* S# ?0 @ x" v8 y$ u! pLIBRA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。
* Z2 |, X! A- b
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' ~0 J$ J! N: }$ t6 Y
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。
% v' c; G/ |" ?. _4 |' l) S
! c9 C N4 @! H c功率縮放技術(shù): u7 f% l7 x6 J. g
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。0 c( u( D2 P, H, ?
+ r+ Q3 V, Z `
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。
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$ [* p# e, i5 U2 V9 ]圖6:PEARL中動(dòng)態(tài)功率縮放的框架。( ?0 ]" c* m/ Z6 B0 I
$ a& ]( e# Q9 q, Z; j- [; D* \WAVES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。
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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。$ E7 b0 E t I) R8 W
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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。5 D5 @, s3 ?& }' C Q- p
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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。
3 a2 W2 l9 a* [; r* [1 B" X+ c2 B/ M7 p2 r" p1 U2 b! g9 ~" E
" U5 U: R9 V" r2 ^$ e4 A- l應(yīng)用程序級儀器輔助(instrumentation-assisted)
6 O5 k9 ]' L+ K" n q* y6 P, n! {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。
" B; e, t$ k! L# p
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; @4 [( P0 ` `% ?- L5 W圖9:應(yīng)用程序儀器輔助(instrumentation-assisted)帶寬分配技術(shù)的框架。; O5 t2 A& Z0 ]+ [
3 }, T/ j) u, `5 F% i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。* d( P A! H; b) }- D# d2 a
2 M6 Y) I! r$ A$ } ~+ j' {
/ A7 r6 ]) b: @: ^8 u) o/ H9 h; D結(jié)論
/ A& q* x- n% r- f: H; b$ H' T6 b* Q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)。% d/ c$ V) `* ?& p+ v
! V& m: q# t- V9 t$ o) R& `$ H. A
本文探討了各種系統(tǒng)級管理技術(shù)來解決這些挑戰(zhàn):: o5 i6 A( ?# N& h4 n8 X
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。
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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。
0 W0 S7 d, r; a3 h1 d M8 c) T5 j( D3 Z" L/ `6 b; i
未來的研究方向可能包括:
8 {. b: O- D3 m* ^. _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。
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e/ K; k" w0 T! c- A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。
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6 k2 V) R7 x$ H4 }- y: G/ _7 R參考文獻(xiàn)
8 I9 `+ m; C& x, z8 P# H2 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.' t; g6 S+ P* R, \
% {$ D6 m6 y `- END -% V" g; A: k; @7 u
) M9 R- ]6 Q G' s5 \軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。2 A- n/ V3 D4 q
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+ N! s3 \, P1 B% V( N% _轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
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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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