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，通過犧牲一些計(jì)算精度來換取更高的能源效率。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。
, z+ \1 b6 E. D
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)在傳播過程中會(huì)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。

5 D% k; w4 }' e+ t# E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。


圖1：IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)表示格式

- I# Y! `% b- m2 OLORAX框架
本文重點(diǎn)介紹LORAX（LOss-awaRe ApproXimation，損耗感知近似）框架，通過智能近似浮點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸來降低PNoCs中的激光功耗。

# Q4 |, P0 c+ x, z- t; _, rLORAX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)
[/ol]
損耗感知激光功率管理
5 c& f) |/ v- r1 Y! V% wLORAX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。

9 a# O5 q5 U5 \9 b6 z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]
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2 Z. h/ P- N. J/ |8 I2 J1 Q
圖2：提出的LORAX框架概述
7 H( j% v, Q# F* H
8 K0 I4 L) |' T7 `& W- e! d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(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。

LORAX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)

這通過以下方式實(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
3 w8 y8 J+ o- G) M4 B
' C, H. f$ m) a. D" l+ R集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)
+ s3 ]* ]4 ~$ s* K* z: u5 t+ ^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。
7 P7 K2 V; q3 X
4 `# p, y3 g' z5 B% K* Y/ c9 L. L
圖3：LSB信號(hào)：（a）截?cái)�，（b）降低激光功率
) j- ]- T' a: Q# @, u- ^" V
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。
& d7 Z5 U: o& Q& ~  m$ b
3 U7 }5 D$ w" C9 U5 p
/ o% u; f- @6 r9 @; y% C圖4：具有64個(gè)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(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。

& S  C: l  J8 w  j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]
1 s6 Q& K. f2 U2 k
- Q) l( ~  A: P' l/ S- W( O! l
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)

$ }0 w8 S3 v5 n; X1 ^9 W) l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10%。
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表1

比較結(jié)果
, e/ s# ^+ V! s8 Q  sLORAX框架與以下方法進(jìn)行了比較：
/ p* |( Y8 \- V& r: U. N  |1. 無近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
2. 文獻(xiàn)中現(xiàn)有的近似框架
7 k8 S6 z; I1 K$ ^) S: U, X3. 靜態(tài)截?cái)喾椒?font class="jammer">  Q% w: x2 ~2 C- A9 h+ M

2 M/ E! E" J: q4 U3 Q, G) c! v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
$ @$ V! H- j4 |0 W- D7 o" I, T! d2. 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
) }7 F3 ]/ V  x% P; l7 |" ^
  @" I" t8 D0 t: S( c主要發(fā)現(xiàn)：
9 \8 y9 b# W# J1. 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%
8 d4 A3 ~. _& G+ _
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%
6 t% t' L* h- S& _% K1 M. n8 K( Z
; }- Z: ?; ^0 X# j0 ^2 x, P) C+ p: I3. 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%
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$ z: w2 q! G+ w結(jié)論
LORAX框架展示了通過智能近似浮點(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。

5 C. q: o! e7 U; p1 v/ [( U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。
5 A) P" I4 I1 D" t% U) h  ]; [+ |[/ol]
# l+ k+ `$ c/ n; h! ^! S! J未來研究方向可能包括：

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
[/ol]
通過利用像LORAX這樣的近似技術(shù)，設(shè)計(jì)者可能克服未來高性能計(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 w  H" I, \2 P7 }9 n4 X( I/ R參考文獻(xiàn)
0 o8 J2 b) O# S7 v9 g0 V% `* _[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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