2.5D系統(tǒng)中硅基光電子網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)管理

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
% S4 d: g1 b; b$ ~隨著計(jì)算系統(tǒng)向支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型應(yīng)用的大型多核芯片發(fā)展，2.5D集成正成為有前途的平臺(tái)。在2.5D系統(tǒng)中，多個(gè)較小的chiplet集成在一個(gè)大型中介層芯片上。這提供了更高的制造良率和異構(gòu)集成等優(yōu)勢(shì)，但也為片上通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

% E. a! ^- Q6 r- T+ T9 e# T+ C傳統(tǒng)的電氣鏈路難以為大型多核芯片提供所需的帶寬密度。硅基光電子鏈路正發(fā)展成為高帶寬、低延遲的替代方案。然而，微環(huán)諧振器（MRR）等硅基光電子器件對(duì)熱變化和制程變化非常敏感，這可能導(dǎo)致諧振偏移并影響通信可靠性。

, B8 S% ?0 `/ H3 F0 I本文探討了在2.5D系統(tǒng)中管理硅基光電子網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)，重點(diǎn)是減輕熱變化和制程變化的影響，以提高能源效率。
) Z9 K( e( w! V0 I: H

光學(xué)器件的熱敏感性和制程敏感性
MRR是硅基光電子鏈路中的關(guān)鍵組件，用于數(shù)據(jù)調(diào)制和濾波。MRR的諧振波長(zhǎng)由其物理尺寸和材料特性決定。導(dǎo)致MRR諧振波長(zhǎng)偏移的兩個(gè)主要因素是：

熱變化：硅具有高熱光系數(shù)，使MRR對(duì)溫度變化非常敏感。觀察到的偏移量為70-100 pm/K。

制程變化：制造挑戰(zhàn)導(dǎo)致MRR尺寸變化，使諧振波長(zhǎng)偏離設(shè)計(jì)意圖。
4 F( u' [5 l! i( z, \% L[/ol]
  R/ X+ ?/ C; f0 d% h) ]這些變化可能導(dǎo)致發(fā)射器和接收器MRR之間的不匹配，影響鏈路完整性。

6 r' j4 ?" f- V% G器件級(jí)和設(shè)計(jì)級(jí)緩解技術(shù)
9 T/ y. Z  L% I4 }6 Z在器件和芯片設(shè)計(jì)層面存在幾種方法來(lái)解決熱敏感性和制程敏感性：
/ |3 Y0 Q9 ~% ^2 ?% x; v* P) Y器件級(jí)：
: j8 U5 B! U' c0 Q+ j) s4 p* D8 v

使用電阻加熱器進(jìn)行主動(dòng)熱調(diào)諧

使用負(fù)熱光系數(shù)材料設(shè)計(jì)非熱敏MRR

將MRR嵌入馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x
$ b/ p) y7 s6 V
設(shè)計(jì)級(jí)：
8 N. f: X' R7 }1 R$ m* Z& t

處理器和光電子層的熱解耦

光電子組件的熱感知布局和布線
/ a, {8 E# d8 n
' i% s% }) j' L1 u' @8 @
/ F5 \7 l; D5 e- m6 D! g
! z. W3 |) S3 G  c圖1：多核系統(tǒng)的橫截面視圖，顯示處理器裸片和光電子裸片之間的絕緣層。

) k, F7 M' |2 \. `% ^- P7 T這些技術(shù)有效，但不考慮運(yùn)行時(shí)工作負(fù)載特性。這為系統(tǒng)級(jí)管理提供了機(jī)會(huì)。
# J7 Z# u6 P& I5 F6 t

系統(tǒng)級(jí)管理技術(shù)
工作負(fù)載分配和遷移
RingAware是一種工作負(fù)載分配策略，在通信MRR周?chē)�維持相似的功率分布，以最小化熱變化的影響。該策略根據(jù)核心與MRR的距離進(jìn)行分類(lèi)，并分配線程以最小化熱梯度。

/ F  O7 |; Y' _0 a& @
' W& X& K6 K" F/ }( P; ^3 ]+ a$ b2 N圖2：使用Clustered和RingAware策略的片上最高溫度和熱梯度。
6 K1 H# F+ W$ W% C5 g& P% ]
Therma在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)運(yùn)行時(shí)線程遷移在整個(gè)工作負(fù)載執(zhí)行過(guò)程中保持通信MRR周?chē)�的相似熱活�?dòng)。

FreqAlign進(jìn)一步考慮了熱變化和制程變化。它不僅維持相似的熱活動(dòng)，還旨在匹配通信MRR的實(shí)際諧振波長(zhǎng)。


圖3：使用（a） Clustered，（b） RingAware和（c） FreqAlign策略時(shí)MRR組之間的平均諧振頻率差異。每個(gè)柱狀圖對(duì)應(yīng)一個(gè)工作負(fù)載+系統(tǒng)利用率。

! [9 U) N* G, ]7 n3 P; O& s8 ^) e
圖4：使用（a） Clustered，（b） RingAware，（c） FreqAlign + TFT和（d） FreqAlign + AFT進(jìn)行熱調(diào)諧所需的加熱功率。

2 ~! P$ o5 R' ?5 D* ~  dLIBRA結(jié)合了反應(yīng)式器件級(jí)技術(shù)和主動(dòng)式系統(tǒng)級(jí)線程遷移。根據(jù)每個(gè)MRR的校準(zhǔn)邊界溫度，動(dòng)態(tài)選擇熱修整或熱調(diào)諧。

# `0 G0 _) B; f, {
+ m& W( l4 |; L. _/ L: X% X4 g2 k圖5：（a） fluidanimate和（b） radiosity應(yīng)用程序執(zhí)行期間的實(shí)際溫度和預(yù)測(cè)溫度。

4 F% h5 |( v" @6 z) n  h功率縮放技術(shù)
5 [# ~$ W- Q. H! `上述技術(shù)側(cè)重于減少熱調(diào)諧的加熱功率，但整體光電子功率還取決于激光功率和電光轉(zhuǎn)換功率。PEARL和WAVES等技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)縮放光學(xué)通道來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

6 p( [. A1 h' j* k5 cPEARL使用粗粒度反應(yīng)式方法結(jié)合主動(dòng)式機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)帶寬需求并相應(yīng)地縮放激光功率。
2 v8 V0 A6 i5 g( j- n; Q( [3 M

& D* o& n2 R; d' o) R5 X$ B圖6：PEARL中動(dòng)態(tài)功率縮放的框架。
- Y% M, H! S$ q
. s) r! ]! C) s! y  e0 \' SWAVES在考慮熱變化和制程變化的同時(shí)，選擇應(yīng)用程序所需的最少光學(xué)信號(hào)（波長(zhǎng)）數(shù)量。它激活最佳波長(zhǎng)組合以最小化調(diào)諧范圍。

1 h, x5 j1 C% Z) Y* l! mPROWAVES通過(guò)考慮應(yīng)用程序執(zhí)行期間的動(dòng)態(tài)帶寬需求來(lái)增強(qiáng)WAVES。它使用時(shí)間序列預(yù)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并主動(dòng)選擇光學(xué)通道。

* J6 D2 t( C6 Y
圖7：應(yīng)用程序執(zhí)行期間硅基光電子鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量。應(yīng)用程序有數(shù)據(jù)包傳輸量較高的階段和較低的階段。
! h7 o' f: G& T3 L2 @( ^  T5 K

2 g; m1 {. d, W3 v圖8：PROWAVES的流程。每個(gè)時(shí)間間隔，ARIMA預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。將預(yù)測(cè)值與實(shí)際值進(jìn)行比較以調(diào)整模型（如果出現(xiàn)偏差）。線性回歸模型使用預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)選擇光學(xué)信號(hào)。
$ d: g+ w6 w" T8 ^+ e9 _
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應(yīng)用程序級(jí)儀器輔助（instrumentation-assisted）
9 i5 `) O9 A2 {* ]片上通信流量和溫度分布也取決于軟件實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序儀器輔助可以為系統(tǒng)級(jí)策略提供特權(quán)信息，以便更好地決策。

圖9：應(yīng)用程序儀器輔助（instrumentation-assisted）帶寬分配技術(shù)的框架。
+ H6 Z7 S9 X3 G* B
與非儀器（non-instrumented）版本相比，PageRank算法的儀器版本使用WAVES實(shí)現(xiàn)了35%更高的光電子功率減少。
2 P9 V- H% m+ W( l1 |) X: C

結(jié)論
硅基光電子網(wǎng)絡(luò)為大型多核芯片提供了高帶寬、低延遲片上通信的有前途的解決方案。然而，對(duì)熱變化和制程變化的敏感性帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

本文探討了各種系統(tǒng)級(jí)管理技術(shù)來(lái)解決這些挑戰(zhàn)：

考慮熱變化和制程變化的工作負(fù)載分配和遷移策略（RingAware、Therma、FreqAlign、LIBRA），以最小化通信MRR之間的諧振不匹配。

基于帶寬需求和變化引起的諧振偏移動(dòng)態(tài)調(diào)整活躍光學(xué)通道數(shù)量的功率縮放技術(shù)（PEARL、WAVES、PROWAVES）。

應(yīng)用程序級(jí)儀器輔助，為更有效的系統(tǒng)級(jí)管理提供額外信息。
2 I7 o% J0 |" Q5 o
) X2 ~: d2 k7 J' {8 ~這些技術(shù)在保持性能的同時(shí)顯著降低了光電子功耗。隨著硅基光電子技術(shù)的不斷成熟，這些系統(tǒng)級(jí)管理方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有高性能片上通信的節(jié)能多核系統(tǒng)將非常重要。
3 D- @9 }% E( f) s. e
( |9 z/ j5 y  p+ f+ i2 O: |未來(lái)的研究方向可能包括：
6 q( b* f5 D1 r. r

探索機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱分布和帶寬需求。

研究在工作負(fù)載管理中同時(shí)考慮計(jì)算和通信方面的協(xié)同優(yōu)化方法。

開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序級(jí)插樁接口，以促進(jìn)變化感知系統(tǒng)管理技術(shù)的廣泛采用。
# B% \1 v! ]4 _
: s7 n  g9 e% M3 O' S8 ^5 _5 Y. F& ]通過(guò)智能系統(tǒng)級(jí)管理解決熱變化和制程變化的挑戰(zhàn)，硅基光電子網(wǎng)絡(luò)可以充分發(fā)揮2.5D集成多核系統(tǒng)在下一代計(jì)算應(yīng)用中的潛力。
* G  H5 V* l1 D. o3 f* ]

# Q3 F6 J) h! d8 L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.
( Y4 g, w1 p! k6 T! S
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