高性能計算光電子技術(shù)的反向設(shè)計

逍遙設(shè)計自動化

引言
; R& J, H5 m  p9 H1 f/ z4 I隨著數(shù)據(jù)中心流量的持續(xù)增加，開發(fā)新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以優(yōu)化芯片間和片上通信變得越來越重要。雖然處理速度隨著技術(shù)進步而提高，但電氣互連的延遲并沒有相應(yīng)地降低，導(dǎo)致了"互連瓶頸"，信息傳輸時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延遲及功耗方面顯示出潛力。然而，實現(xiàn)實用的芯片級光電系統(tǒng)仍然面臨挑戰(zhàn)。
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本文將探討反向設(shè)計技術(shù)如何幫助克服高性能計算互連光電子器件設(shè)計中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我們將涵蓋動機、方法制定和反向設(shè)計光電子組件的實際例子。

系統(tǒng)級動機
. w9 R( V) M; \9 v9 t1 ]- f為了理解改進大型計算系統(tǒng)中短程互連的潛在好處，我們可以估算對系統(tǒng)級性能指標(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)練長短期記憶（LSTM）語言模型時的時間和能量消耗分析。

圖1：顯示了在2D和2.5D處理器-內(nèi)存架構(gòu)上訓(xùn)練LSTM模型時時間和能量消耗的細分。約90%的時間用于內(nèi)存訪問，而65%的能量被處理器空閑時間消耗。
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對于2D和2.5D架構(gòu)，約90%的時間用于訪問內(nèi)存，而65%的能量被處理器等待內(nèi)存訪問結(jié)果的空閑時間消耗。這突顯了提高內(nèi)存訪問延遲、帶寬和能源效率的重要性。

5 I  o. z, p1 Y& n/ W光學(xué)互連可能解決這個瓶頸問題。為了估算效益，我們可以建模一個系統(tǒng)，其中處理器到內(nèi)存的通信通過光學(xué)互連進行，而其他內(nèi)存訪問組件使用標(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EDP效益。

/ s. }' ~8 {( R, w( R圖2：顯示了2D和2.5D架構(gòu)中，內(nèi)存訪問的估計EDP效益作為光學(xué)互連延遲的函數(shù)，對應(yīng)不同的互連能量。
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7 F& Z# \: q/ J. \* l& n- I6 X對于延遲低于2 ns和能量低于1 pJ/bit的互連，我們看到內(nèi)存訪問事件的EDP改善接近2倍。這些目標(biāo)可能通過改進的光電子組件與電子設(shè)備集成來實現(xiàn)。

反向設(shè)計方法
3 o( D# M3 U. ?& Q7 c$ Y! J3 D過渡到芯片級光學(xué)互連需要緊湊、低損耗、對制造誤差穩(wěn)健且兼容大規(guī)模生產(chǎn)的器件。傳統(tǒng)光電子設(shè)計通常依賴于半解析設(shè)計的參數(shù)掃描，限制了設(shè)計空間。反向設(shè)計使用物理引導(dǎo)優(yōu)化來探索給定占用面積的全參數(shù)空間。
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0 J( E0 ], x/ ]5 P" s反向設(shè)計方法將光電子器件設(shè)計表述為優(yōu)化問題：
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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，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。



目標(biāo)函數(shù)相對于ε的梯度可以使用伴隨方法高效計算：



0 X/ G) t8 B5 o3 q1 n. i/ h這允許使用每次迭代只需兩次電磁模擬的大量自由度進行優(yōu)化。
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: B) Q; L1 C2 J# w" X) [7 |實用反向設(shè)計光電子器件
0 b( }/ O, X* p/ ]% i光柵耦合器：
% D- W8 ~" I# Z9 a反向設(shè)計已用于創(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)計光柵耦合器的例子。
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圖3：顯示了反向設(shè)計的光柵耦合器，包括（a）不同帶寬的寬帶耦合器，（b）波長解復(fù)用耦合器，和（c）效率99%的傾斜蝕刻耦合器。

分路器/復(fù)用器：
6 B) V5 w  ^; J) |+ m+ `; |反向設(shè)計的分路器和復(fù)用器器件比傳統(tǒng)設(shè)計實現(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)代工廠制造的反向設(shè)計波長解復(fù)用器。

圖4：顯示了反向設(shè)計的波長解復(fù)用器，包括（a）問題表述，（b）器件設(shè)計，（c）制造的器件圖像，（d）模擬性能，和（e）測量性能。
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慢光波導(dǎo)：
+ `" G) Y$ q9 V8 }0 m* F) r反向設(shè)計可應(yīng)用于色散工程，創(chuàng)建高效的慢光波導(dǎo)，可能實現(xiàn)更節(jié)能的調(diào)制器。圖5顯示了反向設(shè)計慢光光子晶體波導(dǎo)的例子。
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% |9 h7 c! D3 y$ [8 q3 F. E圖5：展示了色散工程的反向設(shè)計，顯示（a）初始器件，（b）初始色散，（c）最終反向設(shè)計器件，（d-e）電場分量，和（f-g）最終色散和群折射率。

展望和未來方向
1 }3 L6 j; v& c) I雖然反向設(shè)計在實現(xiàn)實用芯片級光學(xué)互連方面顯示出潛力，但仍有幾個關(guān)鍵研究方向：

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

有源器件設(shè)計：將反向設(shè)計技術(shù)擴展到具有挑戰(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3D仿真能力，使得在不需要過高計算時間的情況下能夠反向設(shè)計更大的有源器件。

非線性和時域優(yōu)化：納入非線性效應(yīng)和時域方法，擴大可以反向設(shè)計的器件范圍。

數(shù)據(jù)驅(qū)動加速：利用機器學(xué)習(xí)模型加速反向設(shè)計過程中的電磁仿真。
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, g0 r4 M% H, E1 i, Y通過解決這些挑戰(zhàn)，反向設(shè)計可能為大規(guī)模計算系統(tǒng)解鎖顯著的系統(tǒng)級性能改進。該方法已證明能夠生產(chǎn)緊湊、寬帶和多功能的無源光電子器件，并與代工廠制造兼容，使其成為實現(xiàn)高效和緊湊低延遲光學(xué)鏈路的有希望的工具。

+ J, j( @6 f( h- y1 z0 ?總之，反向設(shè)計為克服高性能計算互連中傳統(tǒng)光電子器件的關(guān)鍵限制提供了強大的方法。通過實現(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)計和與電子設(shè)備集成等領(lǐng)域的進展，反向設(shè)計光電子技術(shù)可能成為下一代計算系統(tǒng)的重要技術(shù)。
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參考文獻
[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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