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
1 l; J8 a% X4 U# n2 Q6 Z: L, \" `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。

& H. q2 h& U/ C1 c背景
: i5 r( I! w  Y5 @+ o, qPNoCs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。
$ @( O6 y$ D7 ^
9 }1 |. K" T: n6 q' {* b# |+ J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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圖1：IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)表示格式
# o' i+ L; R* O
LORAX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。
( z1 Q  {- F: j
  D9 S. P) E" I4 d; [7 H8 ?5 w0 ~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)
[/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。

& \! Z( g2 @4 e6 O  \# ^8 N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]
4 o0 E7 b9 k' Q$ S& N% T
; I2 z! I" b6 r* D: x
9 ^/ k) Y8 K& H7 B, Z7 Z" ?圖2：提出的LORAX框架概述

. V5 m; c% M# b0 S/ f/ a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。
" p+ c  U: k+ |0 P% e8 H
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)

9 |7 h, `/ I# D2 o這通過(guò)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

集成多級(jí)信號(hào)技術(shù)
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。
+ }; Y# P" a& V  x- q- ]7 N, r8 e( m# P

圖3：LSB信號(hào)：（a）截?cái)�，（b）降低激光功率
0 |( c0 H: E; k! o* P* |9 S; U
5 ^2 ^* ?) K0 c6 e0 `5 x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。
2 Y# v  g! A) Q2 b3 D( u
# S; o) j. E0 w7 Q8 L
4 e6 B* D, V& {* u8 _( [& a1 Z圖4：具有64個(gè)核心的8路3階段Clos架構(gòu)
2 w2 o3 ]% e; _6 u1 U" C5 |
# U1 r  c  B- g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。

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
3 k* E# V2 z, c, Y[/ol]
$ R2 J8 _! q- U$ K4 E+ k% j2 Q
# _8 T, `8 F3 d0 f; I. s4 k
' i. P- F9 n( Y. p- T+ v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)

6 A( k. d3 d9 k5 w5 ^2 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(guò)10%。
  t/ Y6 S* f/ Z  L' d( s% r' l, _! r2 N

表1
) f" e2 z3 ]$ D# A7 k
比較結(jié)果
2 k1 z) q6 G* w' @5 U5 S& aLORAX框架與以下方法進(jìn)行了比較：
2 T* R) o. k. L9 A1. 無(wú)近似的基準(zhǔn)Clos PNoC
2. 文獻(xiàn)中現(xiàn)有的近似框架
1 z& x& c! _+ [, z+ [3. 靜態(tài)截?cái)喾椒?br /> 5 }: Z, j0 D8 f7 Z) P) D
$ u) n/ p, g. b評(píng)估了LORAX的兩種變體：
1. LORAX-OOK：使用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制
6 l' \6 E5 Z! {9 J$ Y* S8 y2. 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

, I* U$ _2 O7 e主要發(fā)現(xiàn)：
* U3 D# o. n5 Z1. 能量每比特（EPB）降低：
$ F/ H5 c: P& ]7 [. ~7 S

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低2.5%
; C7 S; w+ V: x  J' P
2. 激光功率降低：
9 N( l0 i5 q9 }3 U2 L, P3 _

LORAX-PAM4：比基準(zhǔn)Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準(zhǔn)Clos低12.2%

' a8 T2 w/ V/ f+ U1 R3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：
& c3 i: f9 `; j5 T8 }- Q

LORAX-PAM4：激光功率比基準(zhǔn)Clos低達(dá)39.7%
9 _. q+ ~" Y! s
) z; \: w$ E: D% N1 {. d* t) [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。
3 P  f2 j: P) @. k4 ?
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]
1 x" \" [: e9 q% b, d- p% O, e% a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]
3 `, E/ w  C4 E8 _, P* L% a/ @* p0 T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)。

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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