光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的熱可靠性和性能優(yōu)化

逍遙設(shè)計自動化

引言
光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)（ONoCs）已成為滿足高性能計算系統(tǒng)日益增長的通信需求的解決方案。通過利用硅基光電子和波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，ONoCs可以提供高帶寬、低延遲和能效高的片上通信。然而，熱可靠性和通信性能仍然是需要解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以便ONoCs能夠廣泛應(yīng)用。
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本文探討了創(chuàng)新技術(shù)，以優(yōu)化基于WDM的ONoCs的熱可靠性、通信性能和能源效率。我們將討論新型溫度傳感器設(shè)計、熱感知路由方法和避免沖突的策略，以提高整體系統(tǒng)性能。
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ONoC架構(gòu)概述
讓我們首先來看看ONoC的基本架構(gòu)：
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圖1：（a） 基于網(wǎng)格的ONoC示意圖；（b） 光學(xué)路由器Cygnus

: ~( j! m6 \7 L/ u( X1 I該圖顯示了基于2D網(wǎng)格的ONoC架構(gòu)。由光學(xué)路由器和互連組成的光子網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在處理元件之上。電子控制網(wǎng)絡(luò)管理邏輯控制。光學(xué)路由器設(shè)計（Cygnus）說明了關(guān)鍵組件，如用于開關(guān)和波長過濾的微環(huán)諧振器（MRs）。

' g" w' z/ m( [1 r7 I. j8 q3 OONoCs的熱挑戰(zhàn)
& I" f, G7 {5 _: y0 x% |芯片上的溫度波動會顯著影響光學(xué)組件的性能，特別是MRs。隨著環(huán)境溫度的變化，MRs的共振波長會發(fā)生偏移，導(dǎo)致功率損失和潛在的通信故障。為了解決這個問題，我們需要準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測和熱管理技術(shù)。

- J1 Q- i9 o/ S, Q' D# W抗工藝變異的光學(xué)溫度傳感器（PV-OTS）
PV-OTS的新型溫度傳感器設(shè)計實現(xiàn)ONoCs中準(zhǔn)確和高效的熱監(jiān)測：

圖2：抗工藝變異的光學(xué)溫度傳感器（PV-OTS）設(shè)計

( {2 v$ j4 ?8 W* @' yPV-OTS利用WDM技術(shù)固有的"冗余性"來減輕工藝變異（PV）對測量精度的影響。使用多波長激光源、具有多個MRs的基本光學(xué)濾波元件（BOFE）和光電探測器（PDs），根據(jù)MRs的光功率損耗來測量溫度。
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關(guān)鍵思想是使用多個MRs的平均溫度預(yù)測來抵消PV引起的誤差。模擬結(jié)果顯示測量精度有顯著提高：
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圖3：PV-OTS設(shè)計的有效性。（a） PV-OTS與基于單MR傳感器的精度比較。（b） PV-OTS在采用密集WDM的ONoCs中實現(xiàn)穩(wěn)定性能。

" V  Q# |2 Y; R0 u! kPV-OTS在25-105°C的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了僅0.8650°C的平均不準(zhǔn)確度，與單MR傳感器相比，精度提高了86.49%。

ONoCs中的熱可靠路由
4 V! ]8 C8 v5 e- V/ R為確保ONoCs中的可靠通信，我們需要考慮設(shè)備級和網(wǎng)絡(luò)級的方法：

設(shè)備級波長調(diào)諧：通過局部溫度控制補償MRs中熱引起的波長偏移。

網(wǎng)絡(luò)級路由準(zhǔn)則：限制路由路徑中的開關(guān)階段數(shù)量以減少總功率損失。
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圖4：（a） 開關(guān)階段數(shù)量對路由總損耗的影響 （b） 2D網(wǎng)格ONoCs中的三種路由類型：I/L/Z形路由路徑
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基于模擬，將開關(guān)階段數(shù)限制在4個或更少有助于保持信號功率高于接收器靈敏度閾值。這導(dǎo)致了圖4（b）所示的I/L/Z形路由路徑。

! L; ]6 R' }. ], g, W  j- e避免沖突的路由方法
為了在確保熱可靠性的同時優(yōu)化通信性能和能源效率，提出了兩種避免沖突的路由方法：
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2 j' Q3 `! G) f$ A1. 基于混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）的路由方法：

將問題表述為混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型

最小化通信沖突并最大化能源效率

提供最優(yōu)解，但計算復(fù)雜度較高

4 J5 L- G4 ]6 O9 h( O. z2. 沖突感知路由（CAR）啟發(fā)式算法：

多項式時間算法，用于高效路由決策

同時考慮避免沖突和能源效率

以較低的計算開銷實現(xiàn)接近最優(yōu)的性能
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& i: x$ q; X! f; ?$ yCAR算法的工作原理：
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識別每對通信的區(qū)域

優(yōu)先考慮區(qū)域較小的通信對

選擇在避免沖突的同時最大化能源效率的路由
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; U7 S. x. u: A) @  e* ?& ^4 I性能評估
通過使用合成流量模式和真實世界基準(zhǔn)的廣泛模擬，評估了所提出技術(shù)的有效性。結(jié)果與最先進(jìn)的技術(shù)（如DyXY和TSR）進(jìn)行了比較：

/ L( n9 K9 y5 i+ ^圖5：在均勻流量模式下不同技術(shù)的有效性比較

9 S2 o$ B5 _: \圖6：基于真實基準(zhǔn)的不同技術(shù)有效性比較

' N8 x2 ?/ W" z主要發(fā)現(xiàn)：
6 T% u( K1 W. ~2 N, i) x4 v1. 基于MILP的方法實現(xiàn)：

與TSR和DyXY相比，通信延遲分別減少25.86%和19.39%

網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高159.64%和118.25%

鏈路利用率提高61.20%和43.76%

2. CAR啟發(fā)式算法的性能接近MILP最優(yōu)解，平均差異僅為13.49%。
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: H# k5 \! w9 ^# o6 w3. MILP和CAR方法在保持與TSR相當(dāng)?shù)哪茉葱�率的同時，在通信性能方面顯著優(yōu)于DyXY。

4. 真實基準(zhǔn)的結(jié)果顯示一致的改進(jìn)，MILP實現(xiàn)：

與TSR和DyXY相比，通信延遲分別減少22.86%和13.84%

網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高123.47%和85.75%

鏈路利用率提高50.93%和31.63%

對于真實基準(zhǔn)，CAR啟發(fā)式算法的性能保持在MILP最優(yōu)解的7.20%以內(nèi)。

結(jié)論
本文提出了全面的方法來優(yōu)化基于WDM的光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的熱可靠性、通信性能和能源效率。

, V+ C1 h: t: r1 s% {% M主要貢獻(xiàn)包括：

抗工藝變異的光學(xué)溫度傳感器（PV-OTS）設(shè)計，用于準(zhǔn)確和高效的熱監(jiān)測

通過限制開關(guān)階段確保熱可靠性的路由準(zhǔn)則

兩種避免沖突的路由方法（MILP和CAR），最小化沖突并最大化能源效率
  K, z5 [8 ~3 b. K% y" k[/ol]
這些技術(shù)相對于現(xiàn)有解決方案顯示出顯著的改進(jìn)，為更可靠和高效的ONoC設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。隨著硅基光電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，所提出的方法可以適應(yīng)和擴(kuò)展，以滿足未來高性能計算系統(tǒng)的需求。

通過解決熱可靠性和通信性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這項工作使我們更接近于在下一代計算架構(gòu)中實現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的全部潛力。

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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