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引言1 ?+ H) l ?4 R) t
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,但也為片上通信網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)。
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0 b X- G R# V+ Y, A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。
3 V$ g! c9 y. C, [
" G$ q0 j7 V; T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。
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; ?: J; s, d, o! m4 W0 \7 t7 u光學(xué)器件的熱敏感性和制程敏感性
. C4 [ G# L: `6 Z) tMRR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的諧振波長由其物理尺寸和材料特性決定。導(dǎo)致MRR諧振波長偏移的兩個(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,使諧振波長偏離設(shè)計(jì)意圖。( b) d& B( _% `9 ^; r! c
[/ol]
, t2 v' S! n$ [/ B* q$ X3 B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。5 V: F. L# X; g2 z
" ~( }% j D; G6 m+ `0 [) y! H
器件級(jí)和設(shè)計(jì)級(jí)緩解技術(shù)) y6 c2 B+ r% G1 @% l) M9 J
在器件和芯片設(shè)計(jì)層面存在幾種方法來解決熱敏感性和制程敏感性:
; l1 h: t- x# ^6 I0 H5 K# X器件級(jí):
" Y, \& [" N: B* ~# o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-曾德爾干涉儀
2 V" j$ g6 u1 P& I- v/ ] _* c, K3 \/ C" d
設(shè)計(jì)級(jí):: u" c3 b/ i& Z- Z- y
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
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# C" T+ M2 C" C2 H" I A/ I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。
% q, Q: ^, q3 d4 x& |! }
5 V+ o1 V" G( w, ~1 C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)。; E& Z+ v: C0 `. l- M0 V
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系統(tǒng)級(jí)管理技術(shù)! c6 H0 C5 F0 @$ I7 m
工作負(fù)載分配和遷移
9 \+ ]9 I; w0 t/ n- F0 B; iRingAware是一種工作負(fù)載分配策略,在通信MRR周圍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,并分配線程以最小化熱梯度。& [7 z* }4 z% w1 U/ u$ Y
; m9 e+ z1 {1 B. ^4 V4 r/ n: o
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( c5 \2 }, U" H# H/ P9 v圖2:使用Clustered和RingAware策略的片上最高溫度和熱梯度。4 G3 l1 d7 g# c' U9 Q+ f
" N3 |; V z4 V4 S N: S$ @5 {
Therma在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),通過運(yùn)行時(shí)線程遷移在整個(gè)工作負(fù)載執(zhí)行過程中保持通信MRR周圍的相似熱活動(dòng)。
& _ t8 D: Q$ [9 @3 v( E! r( @* W1 D0 X! O& V B) y
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。' Z( e( P6 Y& y2 Z
! }' T7 K0 l. F/ E" T' k
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' L9 f% f0 }/ J7 n" ^8 d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)柱狀圖對應(yīng)一個(gè)工作負(fù)載+系統(tǒng)利用率。0 R( j+ z& N" M' D7 |, y/ h
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9 J d. G" { r) P, \6 O$ o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。
# F& x1 u- Y5 A% A3 Y3 _/ P1 H8 }% ?0 ^8 z
6 `) f( Q2 s# b4 M& ]1 ~LIBRA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。
4 ~. l; q$ \$ N8 W b8 _( E2 [+ @/ Z4 H7 |
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4 i! ?! E( {7 J6 t( u+ r0 r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)測溫度。8 O: `# x6 o6 R, Z6 a3 z
! d# O0 m3 a& F# ?6 E# d" Y% v2 B功率縮放技術(shù)& W) T- r& l6 A0 s
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)通過動(dòng)態(tài)縮放光學(xué)通道來解決這個(gè)問題。
7 E/ M: b/ @; ~3 V5 T! z k- d+ |4 V4 H) R0 i
PEARL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)來預(yù)測帶寬需求并相應(yīng)地縮放激光功率。# b1 ?' q7 L/ e- `9 x
2 s3 ]4 T- [% M! ?/ Q
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4 e7 ]/ @! [) l+ o1 b
圖6:PEARL中動(dòng)態(tài)功率縮放的框架。7 W: X' F) ~8 |3 d$ {
, y) X- b: A; G4 i5 z# }
WAVES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)數(shù)量。它激活最佳波長組合以最小化調(diào)諧范圍。
/ O: b/ N5 D; d0 h( f
7 F E$ \% \# k$ y8 TPROWAVES通過考慮應(yīng)用程序執(zhí)行期間的動(dòng)態(tài)帶寬需求來增強(qiáng)WAVES。它使用時(shí)間序列預(yù)測來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并主動(dòng)選擇光學(xué)通道。! i, h4 u& ]9 F9 V/ r$ N) b
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! G/ H; t; k. D3 _5 D1 @
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。
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8 u% p% ~" i. X# o5 E9 f
圖8:PROWAVES的流程。每個(gè)時(shí)間間隔,ARIMA預(yù)測網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。將預(yù)測值與實(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)測的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)選擇光學(xué)信號(hào)。5 I) H' F1 s% W
) w. b2 s1 X9 d$ T9 X( B
- {( X$ K+ u& `( M+ p應(yīng)用程序級(jí)儀器輔助(instrumentation-assisted)5 o* a. H" O, z1 i* \
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。) e/ r* l; P& K! l* ]4 P
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& l6 D) x, T3 g4 `圖9:應(yīng)用程序儀器輔助(instrumentation-assisted)帶寬分配技術(shù)的框架。
v( e3 T! b% k0 h- J/ e
' N9 k/ h+ b7 k! \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。
, `! f6 I5 _% z* q; r( k" H; g$ p
4 l2 l- R/ Q# n8 N) g8 n1 ~9 v結(jié)論
$ a8 l- F1 t' h( \: Q* o' @0 c$ G5 c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,對熱變化和制程變化的敏感性帶來了重大挑戰(zhàn)。1 ]# V. p2 M+ X' J
; f; f9 y/ H' q/ E, e本文探討了各種系統(tǒng)級(jí)管理技術(shù)來解決這些挑戰(zhàn):
9 C/ ~% [7 G" C! s# q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。& G S' w! D6 |8 f: `/ I8 y7 R
- z0 L) s3 }3 k1 K, u! A
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。
+ _$ ]1 G7 x6 w5 A5 _* z/ w- E) r, l; [, Y: C: g8 p5 q) t) i
未來的研究方向可能包括:
1 z' ~9 u; \/ Y5 d8 H探索機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),以更準(zhǔn)確地預(yù)測熱分布和帶寬需求。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。0 y; n, x" g+ s) I
, k* J( P* e2 ]" [
通過智能系統(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。2 |0 o* H' {4 h. p; V9 l
2 r; P5 H4 E4 F: u
4 s5 }6 H: C" V9 E* X8 ?參考文獻(xiàn)1 m- ?) p$ ^8 B8 b4 z _
[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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! u ]% D* k% D5 M歡迎轉(zhuǎn)載
/ X5 }$ ^# k1 q U( S5 x) `! P' f0 D" g2 X' N, i2 _; X: B
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$ b- ?6 Z, T; @$ k7 I深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。0 i0 \9 f; R: J- N
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