光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的激光調(diào)制方案

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
隨著硅晶體管縮放接近極限，研究人員正在探索新技術(shù)以繼續(xù)提高處理器性能和效率。有前途的方向是使用片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（也稱為光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)或光學(xué)NoC）來(lái)替代傳統(tǒng)的電氣互連。與電氣網(wǎng)絡(luò)相比，光學(xué)NoC在帶寬、延遲和功耗方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。然而，有效管理光學(xué)NoC的功耗帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。

5 p& ~; T. K$ c# m3 |9 E6 s- R本文將探討用于最小化光學(xué)NoC靜態(tài)功耗的激光調(diào)制方案。我們將介紹基于網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)制激光功率的關(guān)鍵概念、架構(gòu)和預(yù)測(cè)技術(shù)。
: W+ C2 s+ j0 [
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0 m5 ^: ]. \6 F2 f6 P背景
光學(xué)NoC使用光來(lái)傳輸芯片上組件之間的數(shù)據(jù)。基本構(gòu)建模塊包括：
% I: p+ E5 {: z  y% I6 G$ Y

激光器：光源，可以是片外或片上

調(diào)制器：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)

波導(dǎo)：在芯片上引導(dǎo)光

光電探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)
+ y  E# r. N2 ?
; H5 K- }) @4 \& f9 z光傳輸本身非常高效，但產(chǎn)生光的激光器消耗大量功率。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光子不能像電荷那樣容易存儲(chǔ)。這意味著激光器通常需要持續(xù)供電，即使不主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)也是如此。這種靜態(tài)功耗可能占光學(xué)NoC總功耗的80-90%。

) ?2 h! Z4 Q2 h. e9 @" J* h為解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了激光調(diào)制方案，旨在根據(jù)預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率。一般方法包括：
% i1 M% I. A! O+ G

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)指標(biāo)

預(yù)測(cè)未來(lái)活動(dòng)

相應(yīng)調(diào)整激光功率

重新配置網(wǎng)絡(luò)
. }! H$ c1 L6 c$ [0 j# r
讓我們看看為不同類型處理器提出的一些具體方案。

多核CPU設(shè)計(jì)中的激光調(diào)制方案
Probe
8 w3 l  S/ R, i' Q# V7 D% Y* |$ S最早提出的激光調(diào)制方案之一是Probe。使用64核架構(gòu)，核心分組為4x4塊。每個(gè)塊都有專用的片外激光器，可以使用單寫多讀（SWMR）總線廣播消息。
9 Y- m8 L: d* ?6 k; z  _" k
3 o( B3 C. P4 ?: K% o3 O% [Probe根據(jù)鏈路利用率和緩沖區(qū)利用率指標(biāo)預(yù)測(cè)未來(lái)活動(dòng)。使用兩種類型的預(yù)測(cè)器：

用于低流量變化：過(guò)去和當(dāng)前利用率的加權(quán)平均

用于高變化：由利用率水平索引的模式歷史表
7 A) T2 C# H8 D' d0 e& S, O[/ol]
  M; l: e- y: B- c; R# T錦標(biāo)賽預(yù)測(cè)器根據(jù)最近的準(zhǔn)確性在兩者之間選擇。
  C4 B5 o6 u% b" j" A
ColdBus
ColdBus采用不同的方法，基于L1緩存未命中預(yù)測(cè)活動(dòng)。關(guān)鍵洞察是在共享內(nèi)存系統(tǒng)中，大部分網(wǎng)絡(luò)流量來(lái)自L1未命中。
: e; m' y0 x/ d* b3 `% J2 D
) U) S: j3 U" @使用類似于分支預(yù)測(cè)器的基于PC的預(yù)測(cè)器來(lái)識(shí)別可能導(dǎo)致未命中的指令。然后，一個(gè)時(shí)期預(yù)測(cè)器估計(jì)這些未命中何時(shí)發(fā)生。
2 B1 S0 X5 o9 {5 L( t: \
ColdBus還引入了一個(gè)"額外波導(dǎo)"，為需要的站點(diǎn)提供應(yīng)急功率。

PShaRe
7 `8 l- ?' W9 `! e* A1 ^3 ZPShaRe在之前工作的基礎(chǔ)上有幾個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新：

一致性和非一致性流量的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測(cè)器

站點(diǎn)之間的功率共享

重用浪費(fèi)的光功率進(jìn)行熱調(diào)諧
1 j: K9 ~% i9 `" [0 C- i3 t$ b6 q( ?[/ol]
圖1顯示了整體架構(gòu)：
% G; ]. n( m! W6 }- J5 P- T
) D0 t8 H0 _/ f9 Y1 k
3 T/ r! D/ v4 l& s. k6 @圖1：PShaRe架構(gòu)，顯示連接光學(xué)站點(diǎn)的功率和數(shù)據(jù)波導(dǎo)。

7 Y* V' M) [& n* k" {  x1 |$ C神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器使用14個(gè)性能計(jì)數(shù)器輸入，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)期的活動(dòng)進(jìn)行二元預(yù)測(cè)。
  d# \; N2 ^' K) t( y; ^. Q
+ E7 u2 ^: t1 k" [! Y% ~$ N9 P) DBigBus
對(duì)于非常大的核心數(shù)（500+），需要像BigBus這樣的設(shè)計(jì)。BigBus使用分層架構(gòu)，將塊簇組成更大的單元。
" S) Z9 R( j9 K  ~2 C' L
圖2說(shuō)明了BigBus設(shè)計(jì)：
, z. V. }6 {2 I% ^: ]

圖2：BigBus架構(gòu)，顯示由蛇形光鏈路連接的核心和緩存庫(kù)的分層組織。

BigBus使用兩階段預(yù)測(cè)過(guò)程：

每個(gè)站點(diǎn)根據(jù)等待時(shí)間和待處理事件決定是否增加/減少令牌

激光控制器將當(dāng)前預(yù)測(cè)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
[/ol]
4 {5 \9 ]& a& w& e! I0 _2 \這允許在當(dāng)前條件的響應(yīng)性和穩(wěn)定性之間取得平衡。


% [6 m& Q; x4 z; x多插槽系統(tǒng)（MULTI-SOCKET SYSTEMS）中的激光調(diào)制方案
對(duì)于像服務(wù)器這樣的多芯片系統(tǒng)，像Nuplet這樣的設(shè)計(jì)將光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到插槽之間。Nuplet同時(shí)使用片內(nèi)和片間光網(wǎng)絡(luò)。
/ ]' o( p) |7 J) {
- L- s2 J& P4 y/ N7 I- ?( \8 H( Q: K片間預(yù)測(cè)機(jī)制旨在確定要流通的仲裁令牌數(shù)量。它考慮：

發(fā)送到片間光學(xué)站（ICOS）的消息

ICOS隊(duì)列中的待處理事件
[/ol]
6 y) E% a* s. |0 z功率請(qǐng)求表（PRT）存儲(chǔ)歷史令牌計(jì)數(shù)。預(yù)測(cè)將PRT值與當(dāng)前流量趨勢(shì)和隊(duì)列狀態(tài)結(jié)合。

GPU設(shè)計(jì)中的激光調(diào)制方案
% b$ r2 w1 @( m: q由于GPU側(cè)重于內(nèi)存帶寬而非延遲，因此帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。GPUOpt設(shè)計(jì)將光學(xué)NoC適配于GPU架構(gòu)。

圖3顯示了GPUOpt的整體架構(gòu)：
4 g' q9 k% d1 Q0 ^* L! b. ^
5 _' _' ~% c8 a2 m" ?/ x6 T! r3 j
0 r- k! A) j. W圖3：GPU光學(xué)NoC的架構(gòu)，顯示由光網(wǎng)絡(luò)連接的SM和LLC集群。
0 K+ ]7 y: w$ T! k) Y7 O
; e5 a/ R( O0 G! tGPUOpt對(duì)流式多處理器（SM）站點(diǎn)和最后級(jí)緩存（LLC）站點(diǎn)使用不同的預(yù)測(cè)機(jī)制：
1. SM站點(diǎn)使用基于以下因素的受限預(yù)測(cè)器（Restr_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

等待時(shí)間

2. LLC站點(diǎn)使用考慮以下因素的靈活預(yù)測(cè)器（Flex_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

待處理事件
( Q3 q/ p+ d) }6 \$ f' v6 W8 n+ b
! c9 @& I- g) A! `激光控制器將這些預(yù)測(cè)結(jié)合起來(lái)，確定整體功率需求。

7 ?4 G0 c5 a! b& X
! A) r- I( r& ^8 P* g" G; r( z. u6 ^關(guān)鍵概念和趨勢(shì)
  v# M: X! C: o2 W2 G% _/ v3 }雖然具體方案各不相同，但一些共同主題和最佳實(shí)踐浮現(xiàn)出來(lái)：

1.將時(shí)間劃分為固定時(shí)期進(jìn)行預(yù)測(cè)和重新配置
; i: t7 B) X; M" N1 u  S2. 使用多個(gè)輸入指標(biāo)：
8 }! ]$ X4 E  N5 b8 [  `

網(wǎng)絡(luò)利用率

緩沖區(qū)占用率

緩存未命中率

指令類型

待處理事件
3. 將當(dāng)前指標(biāo)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
4. 使用非線性預(yù)測(cè)函數(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）捕捉復(fù)雜關(guān)系
5. 對(duì)不同流量類型進(jìn)行單獨(dú)預(yù)測(cè)（如一致性與非一致性）
6. 分層設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性
+ K1 K# _/ x6 n8 i, {7. 盡可能重用未使用的光功率
% [; J: {" V: q! z; p3 r8. 為特定架構(gòu)經(jīng)驗(yàn)性地調(diào)整預(yù)測(cè)參數(shù)
) |9 R# o$ V; o  T
/ P8 @" `/ [+ |( Z4 g0 v圖4說(shuō)明了有效激光調(diào)制可能帶來(lái)的功率節(jié)省：

3 [6 l& s% K9 R% `
圖4：ideal、Probe和ColdBus方案在各種基準(zhǔn)測(cè)試中的相對(duì)激光功耗。
. M$ A  S* c. @! m: Q/ }& s
3 J3 ]; M$ m  z' M  M/ Z
未來(lái)方向
隨著光學(xué)NoC從研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實(shí)施，可以期待這些技術(shù)的進(jìn)一步完善。方向包括：

用于更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

與應(yīng)用層知識(shí)的集成

在運(yùn)行時(shí)調(diào)整參數(shù)的自適應(yīng)方案

考慮電氣和光網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化

針對(duì)新興工作負(fù)載（如AI加速）的專門化


結(jié)論
- G6 D9 S. x' X! m4 W有效的激光調(diào)制對(duì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)非常重要。通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并相應(yīng)調(diào)整激光功率，可以在保持性能的同時(shí)最小化靜態(tài)功耗。隨著處理器架構(gòu)繼續(xù)發(fā)展，激光調(diào)制方案需要適應(yīng)新的設(shè)計(jì)約束和流量模式。該領(lǐng)域的持續(xù)研究有望為未來(lái)計(jì)算系統(tǒng)解鎖新的能效水平。
; n( p3 _; m. s8 d
; ]9 l/ U2 C1 F. B$ ?) p% [
參考文獻(xiàn)
$ Z, C2 y& [5 `1 _; R# s[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.

- END -

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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(duì)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(guó)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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