高性能計(jì)算光電子技術(shù)的反向設(shè)計(jì)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
隨著數(shù)據(jù)中心流量的持續(xù)增加，開(kāi)發(fā)新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以?xún)?yōu)化芯片間和片上通信變得越來(lái)越重要。雖然處理速度隨著技術(shù)進(jìn)步而提高，但電氣互連的延遲并沒(méi)有相應(yīng)地降低，導(dǎo)致了"互連瓶頸"，信息傳輸時(shí)間成為主要的限制因素。光學(xué)互連在提高帶寬和降低芯片級(jí)延遲及功耗方面顯示出潛力。然而，實(shí)現(xiàn)實(shí)用的芯片級(jí)光電系統(tǒng)仍然面臨挑戰(zhàn)。

& ?4 n+ @# G7 C! v7 g" ~本文將探討反向設(shè)計(jì)技術(shù)如何幫助克服高性能計(jì)算互連光電子器件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我們將涵蓋動(dòng)機(jī)、方法制定和反向設(shè)計(jì)光電子組件的實(shí)際例子。
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9 Q+ x7 a& T: H$ ]# k$ D7 ^  {系統(tǒng)級(jí)動(dòng)機(jī)
為了理解改進(jìn)大型計(jì)算系統(tǒng)中短程互連的潛在好處，我們可以估算對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能指標(biāo)（如能量延遲積，EDP）的影響。圖1顯示了在不同處理器-內(nèi)存架構(gòu)上訓(xùn)練長(zhǎng)短期記憶（LSTM）語(yǔ)言模型時(shí)的時(shí)間和能量消耗分析。
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圖1：顯示了在2D和2.5D處理器-內(nèi)存架構(gòu)上訓(xùn)練LSTM模型時(shí)時(shí)間和能量消耗的細(xì)分。約90%的時(shí)間用于內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，而65%的能量被處理器空閑時(shí)間消耗。

對(duì)于2D和2.5D架構(gòu)，約90%的時(shí)間用于訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，而65%的能量被處理器等待內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)結(jié)果的空閑時(shí)間消耗。這突顯了提高內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)延遲、帶寬和能源效率的重要性。
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  _4 G1 }8 w9 T; u光學(xué)互連可能解決這個(gè)瓶頸問(wèn)題。為了估算效益，我們可以建模一個(gè)系統(tǒng)，其中處理器到內(nèi)存的通信通過(guò)光學(xué)互連進(jìn)行，而其他內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)組件使用標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備。圖2顯示了不同光學(xué)互連延遲和能量的估計(jì)EDP效益。
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圖2：顯示了2D和2.5D架構(gòu)中，內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)的估計(jì)EDP效益作為光學(xué)互連延遲的函數(shù)，對(duì)應(yīng)不同的互連能量。

對(duì)于延遲低于2 ns和能量低于1 pJ/bit的互連，我們看到內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)事件的EDP改善接近2倍。這些目標(biāo)可能通過(guò)改進(jìn)的光電子組件與電子設(shè)備集成來(lái)實(shí)現(xiàn)。
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反向設(shè)計(jì)方法
  }6 A9 ?: D8 a過(guò)渡到芯片級(jí)光學(xué)互連需要緊湊、低損耗、對(duì)制造誤差穩(wěn)健且兼容大規(guī)模生產(chǎn)的器件。傳統(tǒng)光電子設(shè)計(jì)通常依賴(lài)于半解析設(shè)計(jì)的參數(shù)掃描，限制了設(shè)計(jì)空間。反向設(shè)計(jì)使用物理引導(dǎo)優(yōu)化來(lái)探索給定占用面積的全參數(shù)空間。

- i& z6 r" I; ]' g/ k! U反向設(shè)計(jì)方法將光電子器件設(shè)計(jì)表述為優(yōu)化問(wèn)題：
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其中fobj是捕捉優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，E是電場(chǎng)，ε是表示器件結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)分布，ω是頻率，J是輸入源，C是可制造的介電常數(shù)分布集合。
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目標(biāo)函數(shù)相對(duì)于ε的梯度可以使用伴隨方法高效計(jì)算：
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這允許使用每次迭代只需兩次電磁模擬的大量自由度進(jìn)行優(yōu)化。

3 ]+ N* d9 b8 C9 a2 t實(shí)用反向設(shè)計(jì)光電子器件
9 p3 U$ Y3 F: J8 |& a光柵耦合器：
5 ]' m; t; I( ?! V. B  L6 U反向設(shè)計(jì)已用于創(chuàng)建寬帶、多功能和高效率的光柵耦合器。圖3顯示了具有各種功能的反向設(shè)計(jì)光柵耦合器的例子。
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5 D; y/ S* M3 V# P4 G2 x# t/ c' t圖3：顯示了反向設(shè)計(jì)的光柵耦合器，包括（a）不同帶寬的寬帶耦合器，（b）波長(zhǎng)解復(fù)用耦合器，和（c）效率99%的傾斜蝕刻耦合器。
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分路器/復(fù)用器：
反向設(shè)計(jì)的分路器和復(fù)用器器件比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了10倍小的占用面積和增加的穩(wěn)健性。圖4展示了在商業(yè)代工廠(chǎng)制造的反向設(shè)計(jì)波長(zhǎng)解復(fù)用器。
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圖4：顯示了反向設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)解復(fù)用器，包括（a）問(wèn)題表述，（b）器件設(shè)計(jì)，（c）制造的器件圖像，（d）模擬性能，和（e）測(cè)量性能。
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! B5 S6 ?, z0 ], c( K慢光波導(dǎo)：
2 I& e% d8 t+ m: y反向設(shè)計(jì)可應(yīng)用于色散工程，創(chuàng)建高效的慢光波導(dǎo)，可能實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的調(diào)制器。圖5顯示了反向設(shè)計(jì)慢光光子晶體波導(dǎo)的例子。

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+ j3 |9 t& d7 Y- N圖5：展示了色散工程的反向設(shè)計(jì)，顯示（a）初始器件，（b）初始色散，（c）最終反向設(shè)計(jì)器件，（d-e）電場(chǎng)分量，和（f-g）最終色散和群折射率。
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* P6 u) o0 M4 ^: N/ `展望和未來(lái)方向
6 a" z; |3 n/ [( C% y  [雖然反向設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)實(shí)用芯片級(jí)光學(xué)互連方面顯示出潛力，但仍有幾個(gè)關(guān)鍵研究方向：

與電子設(shè)備集成：演示反向設(shè)計(jì)光電子器件與用于信息處理和控制線(xiàn)路的電子設(shè)備的集成。

有源器件設(shè)計(jì)：將反向設(shè)計(jì)技術(shù)擴(kuò)展到具有挑戰(zhàn)性的有源器件，如調(diào)制器，可能利用慢光波導(dǎo)提高效率。

仿真效率：改進(jìn)3D仿真能力，使得在不需要過(guò)高計(jì)算時(shí)間的情況下能夠反向設(shè)計(jì)更大的有源器件。

非線(xiàn)性和時(shí)域優(yōu)化：納入非線(xiàn)性效應(yīng)和時(shí)域方法，擴(kuò)大可以反向設(shè)計(jì)的器件范圍。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)加速：利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型加速反向設(shè)計(jì)過(guò)程中的電磁仿真。
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- n3 H1 L# y# z通過(guò)解決這些挑戰(zhàn)，反向設(shè)計(jì)可能為大規(guī)模計(jì)算系統(tǒng)解鎖顯著的系統(tǒng)級(jí)性能改進(jìn)。該方法已證明能夠生產(chǎn)緊湊、寬帶和多功能的無(wú)源光電子器件，并與代工廠(chǎng)制造兼容，使其成為實(shí)現(xiàn)高效和緊湊低延遲光學(xué)鏈路的有希望的工具。
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總之，反向設(shè)計(jì)為克服高性能計(jì)算互連中傳統(tǒng)光電子器件的關(guān)鍵限制提供了強(qiáng)大的方法。通過(guò)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健、緊湊和高效的光電子組件的創(chuàng)建，可能在解決互連瓶頸和改善整體系統(tǒng)性能方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著研究在有源器件設(shè)計(jì)和與電子設(shè)備集成等領(lǐng)域的進(jìn)展，反向設(shè)計(jì)光電子技術(shù)可能成為下一代計(jì)算系統(tǒng)的重要技術(shù)。
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0 f& R9 I, `' J# y1 |) o+ P: a, T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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