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
( O3 d6 b7 n$ [8 @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)帶來了挑戰(zhàn)。
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4 T1 Y& f9 i1 i& m; h% y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。
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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。


: V( W  ~, r+ y2 t$ y光學(xué)器件的熱敏感性和制程敏感性
+ Z$ i3 Y- z* B+ o% p1 vMRR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。
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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。

  t- J+ F$ @; Q' a器件級(jí)和設(shè)計(jì)級(jí)緩解技術(shù)
. d& I9 h2 o8 @& y8 D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：
器件級(jí)：
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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
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設(shè)計(jì)級(jí)：
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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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1 L. B2 v& z' h6 J' ^$ X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。

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)。


7 i% k' w$ J! u7 E系統(tǒng)級(jí)管理技術(shù)
工作負(fù)載分配和遷移
/ A" a( J& l" ~; }/ I( w6 |RingAware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。
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7 {9 ?2 h1 ~* P& i* p9 J圖2：使用Clustered和RingAware策略的片上最高溫度和熱梯度。

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)。

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。
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0 U2 @" U" [! \- O; e- F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。
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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。


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。

+ F0 D, b7 M+ B* ?; R功率縮放技術(shù)
& E. R, M) i. o8 d3 \2 d& ~( x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。

# {. ~8 [! |2 e8 ?4 g; @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(cè)帶寬需求并相應(yīng)地縮放激光功率。
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圖6：PEARL中動(dòng)態(tài)功率縮放的框架。

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(zhǎng)）數(shù)量。它激活最佳波長(zhǎng)組合以最小化調(diào)諧范圍。

PROWAVES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(cè)來預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并主動(dòng)選擇光學(xué)通道。


% y* v. i  w. t0 U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。


) ^6 O  I% a6 U0 _% j) H) W5 s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)。
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應(yīng)用程序級(jí)儀器輔助（instrumentation-assisted）
% A: r  m1 l1 X- T' @5 U3 m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。

1 R. V, ^- N! C3 T: S! H圖9：應(yīng)用程序儀器輔助（instrumentation-assisted）帶寬分配技術(shù)的框架。
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) ^7 w; D; [& L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。
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9 z; x. a( P) r/ o  @& E0 N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了重大挑戰(zhàn)。

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)：
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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。

) \9 v" z2 u: X- z7 ~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。

9 b5 R9 {% E4 w未來的研究方向可能包括：
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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。
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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。
8 L4 ~  g  A; I2 v% ^( i- W

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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