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
& x& P) E. m7 F+ f3 b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。

背景
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。

! W# q3 v& Z# z3 j  k3 Q8 c浮點數(shù)據(jù)表示遵循IEEE-754標準，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。


0 c$ n! J+ x1 \/ l圖1：IEEE 754浮點數(shù)表示格式
) }! j# S5 r% |* K0 F# a
  n- M+ i' N. r3 [LORAX框架
$ a0 y. K* J  l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。

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
LORAX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)源端和目標端之間的距離計算信號遭受的損耗。

8 t2 S5 V9 [1 [/ g) y: L$ A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確恢復(fù)

信號是否應(yīng)該被截斷以節(jié)省能源
5 m" c% ^- D7 c* J' A/ H7 ~  b[/ol]

6 v" f, T4 A- c+ ?' T3 M6 T
7 L5 ]& ~* h7 z# p. ~8 P  t4 g圖2：提出的LORAX框架概述

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。
) {) d, C3 ^6 U* U. G: E; G6 C
8 N% w3 ~$ y8 r, C' u% x! ZLORAX要求每個源節(jié)點知道：

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)
% c" ?  e2 [2 Q" x3 @
這通過以下方式實現(xiàn)：

源代碼注釋生成可近似數(shù)據(jù)的標志

每個GWI中的查找表，包含到目標的損耗值
- a  j* V) M4 V8 V$ x  [
集成多級信號技術(shù)
' g/ i" r5 {( m: `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。
0 ]  D# o: d2 K$ [7 a) a% ~
6 g: t8 O# o( s* G  r, F
* A2 z/ x' Q3 i4 I7 ]7 M圖3：LSB信號：（a）截斷，（b）降低激光功率

實驗設(shè)置和結(jié)果
' q/ T7 ]8 J$ S5 O' qLORAX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。

2 |1 J0 {' H8 I, p! g0 @
圖4：具有64個核心的8路3階段Clos架構(gòu)
6 W9 S$ u1 v( ]' }7 k
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。
) p- V0 M3 l- g; K# m
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
/ ]" \/ s5 Y( q1 w- S% i3 }6 R[/ol]

! s$ e5 e5 F# E4 \
圖5：blackscholes、canneal、fft、jpeg、sobel和streamcluster基準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)

# I; a( D& W1 |  i3 O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
3 `% i5 @5 H- S& I5 H( s
  E* F! \9 `9 \/ d1 A2 f比較結(jié)果
LORAX框架與以下方法進行了比較：
1. 無近似的基準Clos PNoC
" l7 C* r% G# j, F2. 文獻中現(xiàn)有的近似框架
3. 靜態(tài)截斷方法

評估了LORAX的兩種變體：
% J9 y6 c7 D' @1. 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


圖6：（a）各框架能量每比特（EPB）比較，（b）各框架激光功率比較
4 j! S) p: k" @
$ ?8 s$ ?% A+ d0 W  K2 l主要發(fā)現(xiàn)：
* R: `0 i8 i: ^* k  i4 a, W1. 能量每比特（EPB）降低：

LORAX-PAM4：比基準Clos低13.01%

LORAX-OOK：比基準Clos低2.5%
( u& G3 d) I4 v7 Y  q
2. 激光功率降低：
" D) Z2 E$ V; g4 O6 f' B% a# U! s

LORAX-PAM4：比基準Clos低34.17%

LORAX-OOK：比基準Clos低12.2%
- p2 j" o% w' p9 H  c
1 g# t2 `7 }7 P5 a# @3. 最佳情況（Blackscholes和FFT應(yīng)用）：

LORAX-PAM4：激光功率比基準Clos低達39.7%
# g' t* @' C: x7 a" O; a9 f: `
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。

0 G; T: ^/ t& e4 l; ^) k- N7 g/ ]8 z8 }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。
- ~; ]3 \3 d8 h& s/ F4 Y[/ol]
/ ]3 k0 {7 L$ J( q4 z6 n6 o1 T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]
- u* A' o: T9 ?1 w4 o! Y. J  H1 P0 ]7 g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)。

5 e3 ~! r$ z! T/ W# U  W7 f參考文獻
% j! W( h- D7 G. `( W[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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