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)自動化

引言
& @/ p: r' b: R% N7 J' y隨著現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量的快速增長，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。

' A$ e/ ]* k5 V7 q9 w7 K  M背景
PNoCs利用在片上波導(dǎo)中傳播的光信號，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。

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(jì)算更具韌性。

7 p: m& Z) B4 \9 c" _- }
- `- d: {8 {( b# i& I% P圖1：IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)表示格式

9 V& X- m3 j0 A/ Y  Y5 kLORAX框架
8 |" c' V4 b' r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。
1 i+ u, w( o5 d! g& O2 i0 B, r
5 B4 U( s0 G4 Y/ ALORAX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
$ A+ x0 i* T) L9 K" V. z% gLORAX采用損耗感知方法在運(yùn)行時(shí)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(jì)算信號遭受的損耗。
" X6 u6 O% @3 _3 r. t1 y( |: `% y
; F  y7 h% Y+ O8 D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?cái)嘁怨?jié)省能源
- O8 e& w# h" D9 R4 a# L# A[/ol]

( O9 G" G) x& T
; O# B. t. I! v: w圖2：提出的LORAX框架概述
  x) f4 q* U& x3 y4 R! K
) |+ R. Y$ K1 h) P1 `8 h' e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(qiáng)度級別傳遞給驅(qū)動器。
, D1 u# I$ c; d+ E
LORAX要求每個(gè)源節(jié)點(diǎn)知道：
% D3 N$ _) n# w$ \

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)
5 p* x' y0 [3 Q; H: Y
! E' E  P0 ^! Y% H8 Q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
# x- v  Z3 A6 P& Z6 w# t1 w# k. Y
( U- W- e& Q2 E( ]$ X' p2 V集成多級信號技術(shù)
/ ~' U5 B4 w8 R2 v# n2 }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(gè)信號級別彼此接近，因此更容易出現(xiàn)比特錯(cuò)誤。
) z( B8 l4 U( l5 u
" K, V- B# X: R9 k0 ?' Z+ |
; \: q) w% }8 L5 W; r圖3：LSB信號：（a）截?cái)啵�（b）降低激光功率

- G2 j8 z0 P6 v9 g& x  j* H實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果
. B8 B, l. S' E4 `1 [+ r3 JLORAX框架在具有64個(gè)核心的Clos PNoC架構(gòu)上進(jìn)行了評估。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PNoC進(jìn)行模擬。
) g6 Z  i2 \2 G

. j1 J4 @' t7 t( T5 v: H& R圖4：具有64個(gè)核心的8路3階段Clos架構(gòu)
9 S& f& ]7 R: C/ M/ }
應(yīng)用特定近似敏感性分析
對各種應(yīng)用程序進(jìn)行了全面研究，分析了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)近似對其敏感性。

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
: e( K) I; E: r  L& w0 G" U! M& y: t[/ol]
0 m; h" S3 L) p

' _6 P0 c- w" n6 V' g: ~/ s7 B+ o圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準(zhǔn)測試在大輸入工作負(fù)載下，應(yīng)用程序輸出百分比誤差（PE）作為近似LSB信號數(shù)量和LSB信號激光功率降低的函數(shù)

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%。

6 N3 G& _& W9 j3 J4 P
: d1 c. k$ ~5 _) W6 {% {表1
1 x0 h3 d' ?* r
比較結(jié)果
LORAX框架與以下方法進(jìn)行了比較：
) w% S  w( v$ g1. 無近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
  ?% C; _& C" V* B. o' _' _2. 文獻(xiàn)中現(xiàn)有的近似框架
9 w& t& h2 I4 ^9 O3. 靜態(tài)截?cái)喾椒?br /> * W7 }* m  x4 s7 _
評估了LORAX的兩種變體：
7 E0 {+ Z* ^7 z3 k8 _1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開關(guān)鍵控調(diào)制
7 N7 _  z3 }5 |$ q9 Z) {- u2. LORAX-PAM4：使用4級脈沖幅度調(diào)制

" G& ?, t. a  K; j( F: |# Q8 l& r
圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較
6 \, l! T& b! X+ d' t# B* r
) o2 A  h+ {" E+ L- T$ b$ |( n' @主要發(fā)現(xiàn)：
1. 能量每比特（EPB）降低：
: b# z6 M7 I% H8 B. Q

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：
( v; e, \9 W2 R5 {, o. ^" ]

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低12.2%
% R, v7 g7 ^: F# P! P! v0 @. R
3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
/ f' k0 ?' ^6 L) b

LORAX-PAM4：激光功率比基準(zhǔn)Clos低達(dá)39.7%
/ p8 y- u6 V) Z  k
* ^" k, S0 p% P% G2 G7 }4 u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。
, K" I. G: B3 H7 F- Q
0 ?2 C8 c) I5 Y主要要點(diǎn)包括：

損耗感知激光功率管理允許基于信號傳播距離進(jìn)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(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。
: p- U' J, I/ Z# H2 Z& G. y[/ol]
5 y% L/ d" u4 f0 i未來研究方向可能包括：

探索更先進(jìn)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(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]
" i+ N/ h: O9 V9 ~  K7 {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)。

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.

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