利用近似計(jì)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(jì)自動(dòng)化

引言
" k# O: n$ y& ?; S: I隨著現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量的快速增長(zhǎng)，確保能源高效和容錯(cuò)處理變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。近似計(jì)算作為有前途的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)犧牲一些計(jì)算精度來(lái)?yè)Q取更高的能源效率。本文探討了如何將近似計(jì)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(shí)保持特定應(yīng)用的可接受輸出質(zhì)量。
& M0 `6 _$ H. t. q3 J5 b
背景
PNoCs利用在片上波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)處理器核心之間的高帶寬、低延遲通信。然而，光信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)遭受各種損耗，需要高功率激光器來(lái)確保目標(biāo)端能夠無(wú)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(lái)源之一。

- }* P' C& B4 o' H; O* K* A* ]浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示遵循IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)，由三部分組成：符號(hào)位、指數(shù)位和尾數(shù)位。相比符號(hào)位和指數(shù)位，尾數(shù)位通常對(duì)近似計(jì)算更具韌性。
! T0 x6 m# j% T) W$ {

$ L" |) @3 T  L3 X2 f圖1：IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)表示格式
  Q% m7 [9 Q$ S) a1 W
2 G: T  {  T) L: S4 X) ?, BLORAX框架
: Z/ X; ?; Y# @* W; c1 b" c本文重點(diǎn)介紹LORAX（LOss-awaRe ApproXimation，損耗感知近似）框架，通過(guò)智能近似浮點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)降低PNoCs中的激光功耗。

9 X4 |6 b3 C; j3 ?1 LLORAX的核心思想包括：

基于信號(hào)傳播距離的自適應(yīng)激光功率管理

應(yīng)用特定的近似級(jí)別調(diào)整

集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)
: ^3 r) |2 t# s( f- ?  j! Y[/ol]
2 Z' ]6 u. B# R! S損耗感知激光功率管理
! E, V, p( H4 W* F( U0 }LORAX采用損耗感知方法在運(yùn)行時(shí)調(diào)整激光功率。對(duì)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(jì)算信號(hào)遭受的損耗。

這使LORAX能夠確定：

信號(hào)是否可以在降低激光功率的情況下準(zhǔn)確恢復(fù)

信號(hào)是否應(yīng)該被截?cái)嘁怨?jié)省能源
[/ol]
6 p! |9 X8 |. b" T+ r2 X
: r% m  a7 N! W* t& f6 ~1 D4 y
5 a8 l0 H+ h( ^9 M0 c圖2：提出的LORAX框架概述
+ e  ]3 h& _: v8 Z  Y
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(guò)片上激光驅(qū)動(dòng)器動(dòng)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(qiáng)度級(jí)別傳遞給驅(qū)動(dòng)器。
9 [& c. Q  ?/ r6 ]$ b/ v' W; M' Q
* [* }5 d+ B2 n# YLORAX要求每個(gè)源節(jié)點(diǎn)知道：

何時(shí)在截?cái)嗪徒档图す夤β手�間切換

數(shù)據(jù)包是否包含可近似數(shù)據(jù)

2 j4 `' N" Y) \/ g2 w這通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：

源代碼注釋生成可近似數(shù)據(jù)的標(biāo)志

每個(gè)GWI中的查找表，包含到目標(biāo)的損耗值
# E4 h& D! ~  G6 i
集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)
LORAX還探索了多級(jí)信號(hào)技術(shù)的使用，特別是4級(jí)脈沖幅度調(diào)制（PAM4），作為傳統(tǒng)開(kāi)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(gè)信號(hào)級(jí)別彼此接近，因此更容易出現(xiàn)比特錯(cuò)誤。
: m4 M, U' m! ?& L6 [8 l9 t! [8 r
* @" R5 W; M* ~" N; O. j
! a; f* z) p8 w8 O4 h! x- x& y  w圖3：LSB信號(hào)：（a）截?cái)�，（b）降低激光功率

實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果
LORAX框架在具有64個(gè)核心的Clos PNoC架構(gòu)上進(jìn)行了評(píng)估。模擬使用gem5進(jìn)行全系統(tǒng)模擬，并使用基于Systemc的周期精確模擬器對(duì)PNoC進(jìn)行模擬。
0 @$ m' _" z2 [# e7 D! L. r1 y
1 m3 R. d7 B; U' h5 q* E, K
圖4：具有64個(gè)核心的8路3階段Clos架構(gòu)

. F2 y7 |, n1 J% p應(yīng)用特定近似敏感性分析
8 M  J" @  P. L3 X/ q對(duì)各種應(yīng)用程序進(jìn)行了全面研究，分析了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)近似對(duì)其敏感性。
, [0 o% c; D, w# d7 d
$ z2 S6 x: x* u4 D這涉及變化：

近似的最低有效位（LSBs）數(shù)量

LSB信號(hào)的激光功率降低程度
) j, n! q/ \: H* o1 p$ [  |8 O[/ol]
) D8 P/ q  t  E$ K7 L

! d! P0 Q5 `4 ~3 @$ U0 w4 F' s  h圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準(zhǔn)測(cè)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(hào)數(shù)量和LSB信號(hào)激光功率降低的函數(shù)
- {% w! ^# @% b9 u) m( Q
3 @( W) \8 l# ?: J5 n0 v" y這項(xiàng)分析的結(jié)果用于確定LORAX的應(yīng)用特定激光功率強(qiáng)度控制設(shè)置。表1總結(jié)了每個(gè)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(guò)10%。
8 g; @$ S) P; U! J+ R* Z3 |

+ I. E2 e: h. S0 ~; U3 |表1

比較結(jié)果
. k- {6 s( h0 {& SLORAX框架與以下方法進(jìn)行了比較：
& @% m5 p( [& h/ M1. 無(wú)近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
2. 文獻(xiàn)中現(xiàn)有的近似框架
- u- M$ z& A% Y0 [7 j5 J3. 靜態(tài)截?cái)喾椒?font class="jammer">5 _. D" F; z$ ~6 Y- H7 i0 i

( D) c- [; `( V% x; D7 T. }  y評(píng)估了LORAX的兩種變體：
+ J6 @- n' ~9 ~; D$ u0 i. H5 V0 s& Q1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制
2. LORAX-PAM4：使用4級(jí)脈沖幅度調(diào)制
1 f7 l" F, l; r, q/ C9 p, u

# r, Q( `3 V% [  N' P9 M6 C; ^圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較

* s9 I% ^& b5 O; {主要發(fā)現(xiàn)：
1 B- _0 d* F# V* C1. 能量每比特（EPB）降低：

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低2.5%
: P2 o, ]1 N' S7 z! I" C% ]) F9 o+ F9 S
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%
' q5 N' J4 o- u4 ^
3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：

LORAX-PAM4：激光功率比基準(zhǔn)Clos低達(dá)39.7%

結(jié)論
& M6 T2 ?( P, Y! l) l- s# j: N: TLORAX框架展示了通過(guò)智能近似浮點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸在PNoCs中實(shí)現(xiàn)顯著能源和激光功率節(jié)省的潛力。

主要要點(diǎn)包括：

損耗感知激光功率管理允許基于信號(hào)傳播距離進(jìn)行自適應(yīng)近似。

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

集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)（如PAM4）可進(jìn)一步提高能源效率，盡管增加了復(fù)雜性和易出錯(cuò)性。

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

探索更先進(jìn)的多級(jí)信號(hào)技術(shù)

開(kāi)發(fā)自動(dòng)化工具以確定最佳近似設(shè)置

研究LORAX對(duì)其他類(lèi)型PNoC架構(gòu)的適用性

擴(kuò)展框架以支持浮點(diǎn)數(shù)據(jù)以外其他數(shù)據(jù)類(lèi)型的近似
0 T( S) t, O$ }0 E7 [[/ol]
通過(guò)利用像LORAX這樣的近似技術(shù)，設(shè)計(jì)者可能克服未來(lái)高性能計(jì)算系統(tǒng)中使用硅基光電子互連的一些能源效率挑戰(zhàn)。

' ~& \5 V4 p: N4 Q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.

- END -
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