光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的激光調(diào)制方案

逍遙設(shè)計自動化

引言
5 S" Z: m' D$ ?7 }% N' t隨著硅晶體管縮放接近極限，研究人員正在探索新技術(shù)以繼續(xù)提高處理器性能和效率。有前途的方向是使用片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（也稱為光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)或光學(xué)NoC）來替代傳統(tǒng)的電氣互連。與電氣網(wǎng)絡(luò)相比，光學(xué)NoC在帶寬、延遲和功耗方面具有潛在優(yōu)勢。然而，有效管理光學(xué)NoC的功耗帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。
- h1 \' R9 j# d
本文將探討用于最小化光學(xué)NoC靜態(tài)功耗的激光調(diào)制方案。我們將介紹基于網(wǎng)絡(luò)活動動態(tài)調(diào)制激光功率的關(guān)鍵概念、架構(gòu)和預(yù)測技術(shù)。
# d9 n3 \% ~( R  G/ g8 U2 F% }& n. d
; X9 d- H, C8 r" T- |1 d/ e0 y; O
背景
光學(xué)NoC使用光來傳輸芯片上組件之間的數(shù)據(jù)�；�本構(gòu)建模塊包括：
2 B! J+ u1 _6 |1 D' @3 k  c

激光器：光源，可以是片外或片上

調(diào)制器：將電信號轉(zhuǎn)換為光信號

波導(dǎo)：在芯片上引導(dǎo)光

光電探測器：將光信號轉(zhuǎn)換回電信號

1 q: {  t$ Q2 `$ W% f4 r光傳輸本身非常高效，但產(chǎn)生光的激光器消耗大量功率。一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光子不能像電荷那樣容易存儲。這意味著激光器通常需要持續(xù)供電，即使不主動傳輸數(shù)據(jù)時也是如此。這種靜態(tài)功耗可能占光學(xué)NoC總功耗的80-90%。
1 A, W- \' p' w: P- K" @6 Y
為解決這個問題，研究人員開發(fā)了激光調(diào)制方案，旨在根據(jù)預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)活動動態(tài)調(diào)整激光功率。一般方法包括：

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)活動指標(biāo)

預(yù)測未來活動

相應(yīng)調(diào)整激光功率

重新配置網(wǎng)絡(luò)
7 H: D2 X# D; |+ W7 V# q( O0 f, v4 K
讓我們看看為不同類型處理器提出的一些具體方案。

多核CPU設(shè)計中的激光調(diào)制方案
+ }+ D: g, R: O% l7 F+ w' @$ b' ?Probe
8 v2 Y% `+ @& W0 B# ~; [! ]最早提出的激光調(diào)制方案之一是Probe。使用64核架構(gòu)，核心分組為4x4塊。每個塊都有專用的片外激光器，可以使用單寫多讀（SWMR）總線廣播消息。

* e, r  N% K8 T# X) N  }4 oProbe根據(jù)鏈路利用率和緩沖區(qū)利用率指標(biāo)預(yù)測未來活動。使用兩種類型的預(yù)測器：

用于低流量變化：過去和當(dāng)前利用率的加權(quán)平均

用于高變化：由利用率水平索引的模式歷史表
2 z# ?0 _9 i. y+ X2 v[/ol]
- U, R! `9 c2 p" O  }3 f: j* a錦標(biāo)賽預(yù)測器根據(jù)最近的準(zhǔn)確性在兩者之間選擇。
/ R% A: ?; D5 H+ u( a
ColdBus
% C3 c% _. ]6 ~- h# L* kColdBus采用不同的方法，基于L1緩存未命中預(yù)測活動。關(guān)鍵洞察是在共享內(nèi)存系統(tǒng)中，大部分網(wǎng)絡(luò)流量來自L1未命中。

使用類似于分支預(yù)測器的基于PC的預(yù)測器來識別可能導(dǎo)致未命中的指令。然后，一個時期預(yù)測器估計這些未命中何時發(fā)生。
! i6 u6 j5 q) c
% K9 ?7 h, x& i5 u2 }0 nColdBus還引入了一個"額外波導(dǎo)"，為需要的站點提供應(yīng)急功率。

* }2 t4 i, j: y8 l5 D& O- RPShaRe
PShaRe在之前工作的基礎(chǔ)上有幾個關(guān)鍵創(chuàng)新：

一致性和非一致性流量的獨立網(wǎng)絡(luò)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測器

站點之間的功率共享

重用浪費的光功率進行熱調(diào)諧
+ q/ t  ], l( {[/ol]
圖1顯示了整體架構(gòu)：
: h7 R6 G9 D; g

圖1：PShaRe架構(gòu)，顯示連接光學(xué)站點的功率和數(shù)據(jù)波導(dǎo)。
% e! n' ^, l+ Z/ i8 s
* ?  n% G1 U1 \神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器使用14個性能計數(shù)器輸入，對每個站點在下一個時期的活動進行二元預(yù)測。
, {& B( o. }. n8 e. q) _: l# Z% |( o
) R) G0 \0 y/ qBigBus
對于非常大的核心數(shù)（500+），需要像BigBus這樣的設(shè)計。BigBus使用分層架構(gòu)，將塊簇組成更大的單元。

5 Z1 F( ~: t$ l% ]) m1 x7 N圖2說明了BigBus設(shè)計：
% ]$ P& O6 }& L1 ]$ u

& J5 v6 k4 t  s  Q圖2：BigBus架構(gòu)，顯示由蛇形光鏈路連接的核心和緩存庫的分層組織。

BigBus使用兩階段預(yù)測過程：

每個站點根據(jù)等待時間和待處理事件決定是否增加/減少令牌

激光控制器將當(dāng)前預(yù)測與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
[/ol]
/ ^* m  k( g- w5 k, D這允許在當(dāng)前條件的響應(yīng)性和穩(wěn)定性之間取得平衡。

6 g) N' j# Q/ z6 I* S) q- v
多插槽系統(tǒng)（MULTI-SOCKET SYSTEMS）中的激光調(diào)制方案
對于像服務(wù)器這樣的多芯片系統(tǒng)，像Nuplet這樣的設(shè)計將光網(wǎng)絡(luò)擴展到插槽之間。Nuplet同時使用片內(nèi)和片間光網(wǎng)絡(luò)。

* R) j3 l* x5 j/ T片間預(yù)測機制旨在確定要流通的仲裁令牌數(shù)量。它考慮：

發(fā)送到片間光學(xué)站（ICOS）的消息

ICOS隊列中的待處理事件
# q' c* F- T5 F+ L/ C( S[/ol]
. m6 Q% w. ~* P0 F2 n功率請求表（PRT）存儲歷史令牌計數(shù)。預(yù)測將PRT值與當(dāng)前流量趨勢和隊列狀態(tài)結(jié)合。

GPU設(shè)計中的激光調(diào)制方案
, i  A- }8 T. m* U0 h由于GPU側(cè)重于內(nèi)存帶寬而非延遲，因此帶來了獨特的挑戰(zhàn)。GPUOpt設(shè)計將光學(xué)NoC適配于GPU架構(gòu)。

圖3顯示了GPUOpt的整體架構(gòu)：


4 H7 g- f1 |2 w# R1 x% C# M圖3：GPU光學(xué)NoC的架構(gòu)，顯示由光網(wǎng)絡(luò)連接的SM和LLC集群。

GPUOpt對流式多處理器（SM）站點和最后級緩存（LLC）站點使用不同的預(yù)測機制：
+ M6 y; ]. _7 p8 ^% E( i1. SM站點使用基于以下因素的受限預(yù)測器（Restr_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

等待時間
; f8 x( Z  N$ D
2. LLC站點使用考慮以下因素的靈活預(yù)測器（Flex_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

待處理事件
+ \* e9 P1 G; R. R
激光控制器將這些預(yù)測結(jié)合起來，確定整體功率需求。

+ g( G$ Z; z5 ^' e) N6 K
! S* \0 A7 f# U6 P/ B/ i關(guān)鍵概念和趨勢
雖然具體方案各不相同，但一些共同主題和最佳實踐浮現(xiàn)出來：

3 ~" X' s+ p4 ^4 P3 _5 M1.將時間劃分為固定時期進行預(yù)測和重新配置
2. 使用多個輸入指標(biāo)：

網(wǎng)絡(luò)利用率

緩沖區(qū)占用率

緩存未命中率

指令類型

待處理事件
3. 將當(dāng)前指標(biāo)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
9 ]6 z/ B# ?% x- k4. 使用非線性預(yù)測函數(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）捕捉復(fù)雜關(guān)系
5. 對不同流量類型進行單獨預(yù)測（如一致性與非一致性）
( j5 i% X, P1 w+ M, B4 v1 y6 X6. 分層設(shè)計以實現(xiàn)可擴展性
7. 盡可能重用未使用的光功率
4 T- i, d/ s* D3 n; U" i: a8. 為特定架構(gòu)經(jīng)驗性地調(diào)整預(yù)測參數(shù)
" f/ K* B7 g  u4 p9 Q
& v; u0 X2 Q6 J( Q+ b( ]4 m圖4說明了有效激光調(diào)制可能帶來的功率節(jié)省：


圖4：ideal、Probe和ColdBus方案在各種基準(zhǔn)測試中的相對激光功耗。
% k5 P: Y. H! V8 ]& S

未來方向
隨著光學(xué)NoC從研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實施，可以期待這些技術(shù)的進一步完善。方向包括：
! k" [" N/ P* u/ l  l

用于更準(zhǔn)確預(yù)測的機器學(xué)習(xí)技術(shù)

與應(yīng)用層知識的集成

在運行時調(diào)整參數(shù)的自適應(yīng)方案

考慮電氣和光網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化

針對新興工作負(fù)載（如AI加速）的專門化
! H$ V; S: s( ]6 s/ w, @( O
# K$ u- k) B- `
結(jié)論
有效的激光調(diào)制對實現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢非常重要。通過準(zhǔn)確預(yù)測網(wǎng)絡(luò)活動并相應(yīng)調(diào)整激光功率，可以在保持性能的同時最小化靜態(tài)功耗。隨著處理器架構(gòu)繼續(xù)發(fā)展，激光調(diào)制方案需要適應(yīng)新的設(shè)計約束和流量模式。該領(lǐng)域的持續(xù)研究有望為未來計算系統(tǒng)解鎖新的能效水平。


參考文獻
[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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