光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的激光調(diào)制方案

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
7 k3 d/ j) @% A8 ~+ @. w0 r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(lái)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(shì)。然而，有效管理光學(xué)NoC的功耗帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。

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(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)制激光功率的關(guān)鍵概念、架構(gòu)和預(yù)測(cè)技術(shù)。


& F# c  m7 a7 D# H  M2 x% N4 a2 [背景
光學(xué)NoC使用光來(lái)傳輸芯片上組件之間的數(shù)據(jù)�；�本構(gòu)建模塊包括：
+ A' r- D4 y9 {6 r( ?

激光器：光源，可以是片外或片上

調(diào)制器：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)

波導(dǎo)：在芯片上引導(dǎo)光

光電探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)

) t6 G$ |3 |+ b0 M' H. \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(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光子不能像電荷那樣容易存儲(chǔ)。這意味著激光器通常需要持續(xù)供電，即使不主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)也是如此。這種靜態(tài)功耗可能占光學(xué)NoC總功耗的80-90%。
/ k- K& \) c* [) @1 J
! f1 P: G0 Q: G$ H1 s; H6 N1 @為解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了激光調(diào)制方案，旨在根據(jù)預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率。一般方法包括：
+ J+ a/ S2 }. N4 u/ Z

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)指標(biāo)

預(yù)測(cè)未來(lái)活動(dòng)

相應(yīng)調(diào)整激光功率

重新配置網(wǎng)絡(luò)

: E. L4 {8 F  n3 t3 ^2 x/ I" y* ]讓我們看看為不同類型處理器提出的一些具體方案。
6 x& q/ M. \" P& N3 ]
多核CPU設(shè)計(jì)中的激光調(diào)制方案
Probe
2 v" R- R+ V& S* s: f6 W8 h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(gè)塊都有專用的片外激光器，可以使用單寫(xiě)多讀（SWMR）總線廣播消息。

Probe根據(jù)鏈路利用率和緩沖區(qū)利用率指標(biāo)預(yù)測(cè)未來(lái)活動(dòng)。使用兩種類型的預(yù)測(cè)器：

用于低流量變化：過(guò)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
[/ol]
錦標(biāo)賽預(yù)測(cè)器根據(jù)最近的準(zhǔn)確性在兩者之間選擇。
9 l+ l3 v/ @! p# r2 a
* m, ?5 j' u& O. }ColdBus
1 s7 q- X7 t$ ~; z! wColdBus采用不同的方法，基于L1緩存未命中預(yù)測(cè)活動(dòng)。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(lái)自L1未命中。
) `' g- m! e! O9 V, S# D
3 U* ^, b( @- p$ G. R2 u使用類似于分支預(yù)測(cè)器的基于PC的預(yù)測(cè)器來(lái)識(shí)別可能導(dǎo)致未命中的指令。然后，一個(gè)時(shí)期預(yù)測(cè)器估計(jì)這些未命中何時(shí)發(fā)生。

ColdBus還引入了一個(gè)"額外波導(dǎo)"，為需要的站點(diǎn)提供應(yīng)急功率。

; o- u% }3 k5 E2 ^5 wPShaRe
* k7 w% M) b, {2 o' _  _7 HPShaRe在之前工作的基礎(chǔ)上有幾個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新：

一致性和非一致性流量的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測(cè)器

站點(diǎn)之間的功率共享

重用浪費(fèi)的光功率進(jìn)行熱調(diào)諧
[/ol]
圖1顯示了整體架構(gòu)：
1 U1 [1 b% c0 j7 Y

圖1：PShaRe架構(gòu)，顯示連接光學(xué)站點(diǎn)的功率和數(shù)據(jù)波導(dǎo)。

! D( p1 ^: H' C' p* _9 A8 L9 {神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器使用14個(gè)性能計(jì)數(shù)器輸入，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)期的活動(dòng)進(jìn)行二元預(yù)測(cè)。

% F* Z! J4 C$ o& pBigBus
0 N" ~6 L8 `4 V5 l對(duì)于非常大的核心數(shù)（500+），需要像BigBus這樣的設(shè)計(jì)。BigBus使用分層架構(gòu)，將塊簇組成更大的單元。

2 U2 I- U+ p6 u& L圖2說(shuō)明了BigBus設(shè)計(jì)：
$ @- V9 X* t# ]7 X: Y% A( T4 h# c/ y$ j+ r
* Z! I& T7 t) T$ J7 @( o4 L
) {) r* t7 x7 z圖2：BigBus架構(gòu)，顯示由蛇形光鏈路連接的核心和緩存庫(kù)的分層組織。

8 U( a" x: T9 ?6 eBigBus使用兩階段預(yù)測(cè)過(guò)程：

每個(gè)站點(diǎn)根據(jù)等待時(shí)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(cè)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
[/ol]
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。
1 d. l' ^* |' K& j" s
5 J( \- \' k2 I8 u3 o3 |& D
7 h6 k3 w/ H0 O1 X# g多插槽系統(tǒng)（MULTI-SOCKET SYSTEMS）中的激光調(diào)制方案
" j+ p) K2 [  {2 k對(duì)于像服務(wù)器這樣的多芯片系統(tǒng)，像Nuplet這樣的設(shè)計(jì)將光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到插槽之間。Nuplet同時(shí)使用片內(nèi)和片間光網(wǎng)絡(luò)。

8 b! G" i1 q! p" r+ s8 {) k, ]片間預(yù)測(cè)機(jī)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(duì)列中的待處理事件
[/ol]
功率請(qǐng)求表（PRT）存儲(chǔ)歷史令牌計(jì)數(shù)。預(yù)測(cè)將PRT值與當(dāng)前流量趨勢(shì)和隊(duì)列狀態(tài)結(jié)合。

; @8 V, b) F/ |7 VGPU設(shè)計(jì)中的激光調(diào)制方案
! V$ w; B( G) E2 y! g由于GPU側(cè)重于內(nèi)存帶寬而非延遲，因此帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。GPUOpt設(shè)計(jì)將光學(xué)NoC適配于GPU架構(gòu)。
4 w3 e0 }. D+ T& \2 U" w
圖3顯示了GPUOpt的整體架構(gòu)：
$ g. A$ a' I* j7 ?2 l  ]% X! N

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。

6 H% X' g9 N* Y: w' t1 G& \. MGPUOpt對(duì)流式多處理器（SM）站點(diǎn)和最后級(jí)緩存（LLC）站點(diǎn)使用不同的預(yù)測(cè)機(jī)制：
1. SM站點(diǎn)使用基于以下因素的受限預(yù)測(cè)器（Restr_Pred）：
. H5 Z; c1 o' S( W+ N# a

接收的消息

發(fā)送的消息

等待時(shí)間
* u2 S2 y) K/ w* M9 n, C4 k
2. LLC站點(diǎn)使用考慮以下因素的靈活預(yù)測(cè)器（Flex_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

待處理事件
, W9 }% V  k2 n# q, F8 M
) M- O8 b! y" x: h& [0 o4 K激光控制器將這些預(yù)測(cè)結(jié)合起來(lái)，確定整體功率需求。

! i# T: C2 o2 Y0 {) l3 Z% h/ |
' ?( G4 N+ K- l6 i& S% W關(guān)鍵概念和趨勢(shì)
8 _5 k! ]3 }$ X. t9 G8 b雖然具體方案各不相同，但一些共同主題和最佳實(shí)踐浮現(xiàn)出來(lái)：

1.將時(shí)間劃分為固定時(shí)期進(jìn)行預(yù)測(cè)和重新配置
9 U6 r0 s; U+ T# i3 z2. 使用多個(gè)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
: ?; f* M6 U& D. d) w3. 將當(dāng)前指標(biāo)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
4. 使用非線性預(yù)測(cè)函數(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）捕捉復(fù)雜關(guān)系
5. 對(duì)不同流量類型進(jìn)行單獨(dú)預(yù)測(cè)（如一致性與非一致性）
6. 分層設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性
7. 盡可能重用未使用的光功率
5 M! ?# ^7 M/ `3 [2 T! q8. 為特定架構(gòu)經(jīng)驗(yàn)性地調(diào)整預(yù)測(cè)參數(shù)
3 K) w$ W' M& k+ c
% P  K$ k4 W# }  Z  Q圖4說(shuō)明了有效激光調(diào)制可能帶來(lái)的功率節(jié)�。�


+ ~+ `- o& }8 ~$ |( ~- m圖4：ideal、Probe和ColdBus方案在各種基準(zhǔn)測(cè)試中的相對(duì)激光功耗。

/ S* y5 ^, v/ E' L+ m- [
% Y  c. d7 ~# e: M% p3 J* C未來(lái)方向
0 W! l' P" k* y) j2 O! M隨著光學(xué)NoC從研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實(shí)施，可以期待這些技術(shù)的進(jìn)一步完善。方向包括：

用于更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

與應(yīng)用層知識(shí)的集成

在運(yùn)行時(shí)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(duì)新興工作負(fù)載（如AI加速）的專門化


0 c8 p# f  J9 s3 i" m; ~, R* Q結(jié)論
( K0 J3 L8 |3 q6 t4 L有效的激光調(diào)制對(duì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)非常重要。通過(guò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并相應(yīng)調(diào)整激光功率，可以在保持性能的同時(shí)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(jì)約束和流量模式。該領(lǐng)域的持續(xù)研究有望為未來(lái)計(jì)算系統(tǒng)解鎖新的能效水平。

; l( A$ V+ |7 ?) A
9 k& L( \' Z( I+ U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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