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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。
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背景2 d, C! a0 O: p9 h! L
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。/ I+ C6 o; \. b* L
- }* 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。
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$ 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。' {/ ]- M$ Z9 S5 _0 e
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。$ ~- x; {6 |5 i- p4 }
( T2 ~) {" t* J( r9 A
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! J& M. F* P- b3 N
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5 a8 l0 H+ h( ^9 M0 c圖2:提出的LORAX框架概述
+ e ]3 h& _: v8 Z Y! ~, ~) T4 M5 t" ]* k, K3 J
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:2 v: j/ |4 y9 V, @
何時(shí)在截?cái)嗪徒档图す夤β手g切換數(shù)據(jù)包是否包含可近似數(shù)據(jù)% h$ e& S3 ^$ z0 }: Y0 e, k; \+ H
2 j4 `' N" Y) \/ g2 w這通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn): D, _9 T0 l4 F* U5 M' ^- F+ R) G# z
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% q$ K+ Q, F4 J6 k- @: W
集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)3 a; R" D# m8 |4 ~. }2 @( A ?; S
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。
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! 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+ `0 D2 j( k4 ?: S/ }$ y
" A; A) ~5 u& b% [
實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果" x2 l3 ?+ H9 d5 f% b7 t0 _
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。
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" y) y0 c! \+ W# T& _; x
圖4:具有64個(gè)核心的8路3階段Clos架構(gòu)6 Y# o- ?2 }/ o! J
. 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
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! 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%。
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+ I. E2 e: h. S0 ~; U3 |表1, B c2 `: S; D1 i1 i
. e* t$ P4 `" ^, l& e& ^
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/ b' A! w: o P! b. w
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8 L0 U' d; }0 m3 b( X9 X( J3 `
2. LORAX-PAM4:使用4級(jí)脈沖幅度調(diào)制
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# 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8 x0 p, H+ k) J
* 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:) }' `+ c: {& L9 _) p
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* f, ^* Y5 e4 E
2. 激光功率降低:- L: r5 }% r' q$ ]8 W
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 ^+ o- L9 u+ N2 t8 g7 ~- K7 G
3. 最佳情況(Blackscholes和FFT應(yīng)用):7 z5 b; K4 U( z* Y
LORAX-PAM4:激光功率比基準(zhǔn)Clos低達(dá)39.7%) l' w3 g5 Q- ^/ U8 h
3 c7 I E( I Y$ |' L6 p* _
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。# w% [% i" F; V0 Z
7 a. `( B* j& }9 b! f1 _1 L5 i9 M6 H$ s
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。$ d+ i- Y" Q6 K' v
[/ol]$ ]: x ? J H6 R: B
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]' A' S- B( ]5 q
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)。6 m6 t4 l' k! Q8 X/ ~/ E
' ~& \5 V4 p: N4 Q參考文獻(xiàn)- }% A) I9 |( S* K
[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.: J- ~4 P6 I/ {" N, d0 U6 Y
1 @1 e+ U ?8 @* }# m r8 Z
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