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
) a8 B9 B$ `$ v% V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。
8 G/ X& ]$ W5 f& {4 h
背景
, G8 Y: r. K3 p- G# _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。
% T% g5 }# z2 |9 E1 E5 N) X0 I
" q# S$ A* _( [+ M+ Q  V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。


圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式
* _; }  h" U" R
: S* a/ c+ b# ]7 u+ R# O; rLORAX框架
) ]* v9 K7 {  @6 X  R% O, H' W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。

8 B) \0 G+ h& j; `LORAX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]
損耗感知激光功率管理
, y7 ?% S; |+ Q8 t& WLORAX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。
7 r/ _. s6 N8 E; \9 Y
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]
5 G* Y$ l7 V) Y" f) b+ u( V

圖2：提出的LORAX框架概述
* h5 [  T" E1 W# M( }
6 o: g. ^9 S+ Z* V5 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。

7 Y/ g& d) E, uLORAX要求每個源節(jié)點知道：
& J: A4 M9 y6 f% H

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)
4 a* ?* a5 m' @- w- [5 y" B
這通過以下方式實現(xiàn)：
9 g3 v+ N1 S) D6 U4 L6 h( e

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
+ S. k9 @4 h' W7 M1 z1 X, W
, T0 t! H+ R& A# Y8 H6 ~* g# [集成多級信號技術(shù)
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。
) L. j( {( I( ?4 F7 n. H

! K" u/ M0 P' _圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率

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。

3 B# ?2 l0 N8 P9 t7 m/ G3 O" ^3 }
2 y8 p7 \; j) p- ~& ?1 a* b圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構(gòu)

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。
1 R4 Q3 r: i! f
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]
( O1 b9 v2 N  G2 }9 b
- j' Q6 C/ L) r6 k6 e
圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準(zhǔn)測試在大輸入工作負載下，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)

* A2 [8 q) ~# j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%。


表1

8 V+ o, A5 k) G8 x6 _5 l( A$ W. }比較結(jié)果
- M9 S0 `! f" WLORAX框架與以下方法進行了比較：
1. 無近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
2. 文獻中現(xiàn)有的近似框架
3. 靜態(tài)截斷方法
* m, s4 b. O. B2 @1 C- }# n/ E* s9 n
評估了LORAX的兩種變體：
$ m# |2 j5 r+ F8 C/ @$ d/ O+ g1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關(guān)鍵控調(diào)制
2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調(diào)制

! |/ a9 {, D) u: A9 A
圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較

/ p0 z; R4 `, Z7 u主要發(fā)現(xiàn)：
* G3 ^* U! y" v& X1. 能量每比特（EPB）降低：
7 U0 S% y4 Q8 ^4 ^6 N

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低2.5%

2. 激光功率降低：
' n; d( e, Z& R) ]3 X1 S7 h2 D# h! }

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低12.2%

3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
0 k3 w8 ?+ T+ S' T! N: [) w

LORAX-PAM4：激光功率比基準(zhǔn)Clos低達39.7%
; Q% P# ~$ R" Z# Z; O1 L5 c
- Z/ c- U2 D1 {結(jié)論
LORAX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。
7 P5 W+ g0 N  U5 K
* s7 c( k  `# D' f$ M8 W2 o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
[/ol]
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)。

參考文獻
3 ?( f5 Z9 q% M& \$ I  b! [[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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