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
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。
  d0 e8 h5 i7 Z: \  j3 ^* H# R
. j# D) Z3 s* C  W' f2 E背景
" |, ^: O0 Y3 p  e9 X6 b2 B% @$ aPNoCs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。
3 N# l4 S0 b1 E1 i, p
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。


3 d) S7 C4 V) z" P5 e, E圖1：IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)表示格式

) D, X* `( j! uLORAX框架
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。
1 {+ D6 U. I7 {+ `0 G7 P
6 O6 s7 G+ S/ N* r: B+ ?LORAX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)
1 Z# B7 J( \& E% `[/ol]
損耗感知激光功率管理
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。
0 e0 x: Y3 }+ }
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
( Q3 o$ o8 ^9 I1 Z5 X% w[/ol]


- P! g4 q' M' N1 s  \; R圖2：提出的LORAX框架概述

+ b$ Z; Z1 N0 ?- a( N& 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。
) {6 \; m1 X  [" u) P0 K
. W# A* k% Y6 a. xLORAX要求每個(gè)源節(jié)點(diǎn)知道：
3 }  x# @0 N) U

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)
* y. J  E! I5 |1 g9 P
這通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：
+ u* k6 g9 C+ z% k: k% Y! h* T+ A, q

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
" @/ v" I6 P8 d+ ~
  B5 B; g. n# N, h3 W+ d集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)
5 N* h# j1 w8 pLORAX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。
. q; V- Q# L% J$ N  w2 V, |! d% q& z8 M

圖3：LSB信號(hào)：（a）截?cái)啵�（b）降低激光功率
9 [8 T' `- |& d( _$ @
; `- y, u: Y! O. s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 D4 s9 R& t! l; g
6 ?4 b& L$ _' |/ a4 a/ q+ z. a圖4：具有64個(gè)核心的8路3階段Clos架構(gòu)
* t% Z: W& A. K$ J; L( V1 P
應(yīng)用特定近似敏感性分析
# d. v- Z; i0 m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。

3 q/ T' N- D. \. `3 z1 c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
[/ol]

, Z) Y8 R$ ]/ Q4 t! X
" n3 x" f- N, G9 i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)
" o, W$ z0 c# g% M5 J; _1 v  _0 b
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%。
0 Q3 c0 w0 G7 K* f: w, j0 u
; D# H3 R4 y! S0 Z& z( ^- h
表1
2 d4 y0 G7 n0 a; |( c- a
, G) ^" J6 }! }3 T& S- p比較結(jié)果
5 f- ~0 q+ S1 y+ l+ r- E: |. \LORAX框架與以下方法進(jìn)行了比較：
1. 無(wú)近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
0 @9 _* E; H) i; _2. 文獻(xiàn)中現(xiàn)有的近似框架
3. 靜態(tài)截?cái)喾椒?font class="jammer">6 ^! Q2 i: n0 R2 g! I

評(píng)估了LORAX的兩種變體：
1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關(guān)鍵控調(diào)制
2. LORAX-PAM4：使用4級(jí)脈沖幅度調(diào)制


圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較

, Y- a: U; F# u主要發(fā)現(xiàn)：
% A' L6 R* I  L1. 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%

% X' o4 J! q2 e" L) \; S2. 激光功率降低：
0 G% h8 Q# {3 V  o

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低12.2%
" D$ [- D2 h$ g  z
3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
+ W& N+ g0 w; x9 f. Q

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

結(jié)論
LORAX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。

. a% E; A, v  u( J! z/ v, o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]
# u+ y: l+ Z" Y) Z8 @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)類型的近似
; [6 w, h0 k/ G. d# Q0 E[/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)。
1 s- p1 V" H( i) K: }% [* U7 F2 e
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.
' B4 {8 m' |  N, }* @# {: Y
- END -

軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

/ }, ^6 a9 Y- Z3 M% w- Y+ L# k: @歡迎轉(zhuǎn)載
2 D/ D7 E7 ?+ }* Z5 r
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！


+ z4 X" H/ k8 i( W0 a. g4 x


: f7 F% X# q3 K4 ]# o, O關(guān)注我們

2 d& _  ^6 Z0 w6 M5 C. N' @

4 N- b9 E! G: e  q$ ?0 x4 F 0 ~+ |1 D- j: l2 m4 r1 y

7 m8 |' c9 [; o4 |( K) i! a

                     
& o( |+ A7 U6 i, S+ p& d
" E8 ?" v2 i2 v: w0 y
2 e" b* l( [5 u- X( o1 S4 m7 |


0 O9 @6 \/ U2 o  b
! V. ?! N) @% }關(guān)于我們：
3 }: w- i3 T! W# M2 e, S, w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)。

http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）