利用近似計算技術(shù)提高硅基光電子片上網(wǎng)絡(luò)的能源效率

逍遙設(shè)計自動化

引言
0 Z% }( @  @, L2 W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(yīng)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(shù)應(yīng)用于硅基光電子片上網(wǎng)絡(luò)（PNoCs），以降低能耗同時保持特定應(yīng)用的可接受輸出質(zhì)量。

背景
PNoCs利用在片上波導(dǎo)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(biāo)端能夠無誤地恢復(fù)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。
5 \! v# w9 p4 T
浮點數(shù)據(jù)表示遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)，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。
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+ s$ \6 e' `' B; t& \4 F. ]3 R圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式

8 x6 O' I  x) U7 a% XLORAX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。
& [6 o) O  K3 t- @0 y' R% V$ d
7 B. g: b: K5 h5 M, A9 |; Q5 zLORAX的核心思想包括：

基于信號傳播距離的自適應(yīng)激光功率管理

應(yīng)用特定的近似級別調(diào)整

集成多級信號技術(shù)
[/ol]
' r5 z0 J9 R% i2 x& V' j6 y; k: n9 ^* _損耗感知激光功率管理
LORAX采用損耗感知方法在運行時調(diào)整激光功率。對于波導(dǎo)上的每次通信，根據(jù)源端和目標(biāo)端之間的距離計算信號遭受的損耗。
9 S, h: z% Z7 s
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(zhǔn)確恢復(fù)

信號是否應(yīng)該被截斷以節(jié)省能源
[/ol]
2 @7 d4 W( d( }$ v
! K4 f8 K: c& C* y" O
圖2：提出的LORAX框架概述

4 z" d4 b5 A0 l3 v' s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(qū)動器動態(tài)控制。網(wǎng)關(guān)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(qū)動器。
$ _% V$ H6 ^+ {! ]5 k
LORAX要求每個源節(jié)點知道：
3 S2 }6 o/ c5 M/ ?1 Q% B+ h1 L

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)

這通過以下方式實現(xiàn)：
9 U6 }5 I% r) P  U& B* u

源代碼注釋生成可近似數(shù)據(jù)的標(biāo)志

每個GWI中的查找表，包含到目標(biāo)的損耗值
' o  N1 R7 T" t5 B1 C) N: l: v
. a  Z- \# ~$ ?$ C. Y& V2 G  E集成多級信號技術(shù)
: {% q; y0 b1 N8 j* B* \  r. _- ^LORAX還探索了多級信號技術(shù)的使用，特別是4級脈沖幅度調(diào)制（PAM4），作為傳統(tǒng)開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制的替代方案。PAM4允許每次調(diào)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。
6 e6 |+ C% M8 p9 [1 J: Z
7 s' ~# k! Y9 I9 y
圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率

! h, x" O' H% `9 {; Y" w: x  a實驗設(shè)置和結(jié)果
LORAX框架在具有64個核心的Clos PNoC架構(gòu)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。


# m# N$ n. ]1 H- _圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構(gòu)
" \0 X3 v$ k; _  \+ }* j6 n
" ^5 I5 Z$ Y7 ^& z) ]/ Z應(yīng)用特定近似敏感性分析
對各種應(yīng)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。

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]
9 Q2 D0 P, i0 k' P) K2 h6 N

2 p0 \3 F1 k5 v" S8 o  l8 h7 M: L& h圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準(zhǔn)測試在大輸入工作負(fù)載下，應(yīng)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)

$ o5 i! J2 ?( n這項分析的結(jié)果用于確定LORAX的應(yīng)用特定激光功率強度控制設(shè)置。表1總結(jié)了每個應(yīng)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%。
/ m5 c/ D3 p# N
# C2 y# j# K$ x3 F# e  @% W  M( Q' [
9 z2 R. |6 H; h1 p: B表1
8 e6 K7 d) N& h
比較結(jié)果
$ V. {! S# d% i' l- P" xLORAX框架與以下方法進行了比較：
1. 無近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
/ b8 q6 ?! P3 \' k& u2. 文獻中現(xiàn)有的近似框架
3. 靜態(tài)截斷方法

) ^1 z3 y! K" q) C0 h! S評估了LORAX的兩種變體：
1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關(guān)鍵控調(diào)制
/ a% v8 O3 ~7 H+ d! F2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調(diào)制

- D' P& [; \1 n. J
圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較
* {' [3 N& U% F: ?4 u  {
6 h! e% Q: Z% f3 H主要發(fā)現(xiàn)：
1. 能量每比特（EPB）降低：
0 b8 z4 H# ?7 f4 R& I+ m# A9 u

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低2.5%
9 _3 @  @" a# i" L0 K! x
2. 激光功率降低：

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低12.2%

5 r; R6 a: V% M- d3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
- y5 s; W5 b! l* T5 F- k

LORAX-PAM4：激光功率比基準(zhǔn)Clos低達39.7%

結(jié)論
2 r6 b7 l. z  D  B8 rLORAX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。
' j2 J1 R" X& }8 a
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(yīng)近似。

應(yīng)用特定近似級別調(diào)整對于保持可接受的輸出質(zhì)量非常重要。

集成多級信號技術(shù)（如PAM4）可進一步提高能源效率，盡管增加了復(fù)雜性和易出錯性。

必須針對每個應(yīng)用程序仔細考慮能源節(jié)省和輸出精度之間的權(quán)衡。
[/ol]
未來研究方向可能包括：

探索更先進的多級信號技術(shù)

開發(fā)自動化工具以確定最佳近似設(shè)置

研究LORAX對其他類型PNoC架構(gòu)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
& P  A1 [5 Y6 s3 t! e& N[/ol]
( A& e: p+ C. ~3 C0 R" h通過利用像LORAX這樣的近似技術(shù)，設(shè)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)。
" G- ?1 G7 s, ]; t+ \, |7 g
, m  b7 I6 c, j, _( x3 s參考文獻
; {7 c( [* [+ \$ A[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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