2.5D系統(tǒng)中硅基光電子網(wǎng)絡的系統(tǒng)級管理

逍遙設計自動化

引言
隨著計算系統(tǒng)向支持數(shù)據(jù)密集型應用的大型多核芯片發(fā)展，2.5D集成正成為有前途的平臺。在2.5D系統(tǒng)中，多個較小的chiplet集成在一個大型中介層芯片上。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)絡帶來了挑戰(zhàn)。

( l1 A: k2 D( a4 n, R& B; t7 P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，這可能導致諧振偏移并影響通信可靠性。

本文探討了在2.5D系統(tǒng)中管理硅基光電子網(wǎng)絡的系統(tǒng)級技術，重點是減輕熱變化和制程變化的影響，以提高能源效率。


. g% U+ Z: G4 j: i. l3 a9 X光學器件的熱敏感性和制程敏感性
# M% X# P& k! pMRR是硅基光電子鏈路中的關鍵組件，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。導致MRR諧振波長偏移的兩個主要因素是：

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)導致MRR尺寸變化，使諧振波長偏離設計意圖。
' t! j1 d4 U( i  ?[/ol]
4 P' C" a/ c& ?2 d3 Z- Z& O7 ?這些變化可能導致發(fā)射器和接收器MRR之間的不匹配，影響鏈路完整性。

器件級和設計級緩解技術
在器件和芯片設計層面存在幾種方法來解決熱敏感性和制程敏感性：
器件級：

使用電阻加熱器進行主動熱調(diào)諧

使用負熱光系數(shù)材料設計非熱敏MRR

將MRR嵌入馬赫-曾德爾干涉儀

設計級：
& n" y- i. H# M) k  u

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

3 n. B  K. m1 ]; F
7 m5 ]! P5 u- T  t+ J  }
+ s$ D8 u8 i2 G* ^" u# r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。
. `3 ]% E& L" d1 E4 o
9 b; e6 P4 d) _9 c; c這些技術有效，但不考慮運行時工作負載特性。這為系統(tǒng)級管理提供了機會。
$ J$ V  E. f: S" z
* H  i; b. x1 I1 m3 R/ Z( {& `$ G8 F
系統(tǒng)級管理技術
工作負載分配和遷移
RingAware是一種工作負載分配策略，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的距離進行分類，并分配線程以最小化熱梯度。
# ?1 `& d5 _+ [! G

圖2：使用Clustered和RingAware策略的片上最高溫度和熱梯度。

Therma在此基礎上進行了改進，通過運行時線程遷移在整個工作負載執(zhí)行過程中保持通信MRR周圍的相似熱活動。
* ^! U$ [! ~& q7 ^9 C+ E
FreqAlign進一步考慮了熱變化和制程變化。它不僅維持相似的熱活動，還旨在匹配通信MRR的實際諧振波長。

  v. ^9 u, D5 p% q4 \$ Y
圖3：使用（a） Clustered，（b） RingAware和（c） FreqAlign策略時MRR組之間的平均諧振頻率差異。每個柱狀圖對應一個工作負載+系統(tǒng)利用率。

3 K9 J- ^" c/ X1 ]
圖4：使用（a） Clustered，（b） RingAware，（c） FreqAlign + TFT和（d） FreqAlign + AFT進行熱調(diào)諧所需的加熱功率。

  ^5 W4 E  [$ [! x0 @LIBRA結(jié)合了反應式器件級技術和主動式系統(tǒng)級線程遷移。根據(jù)每個MRR的校準邊界溫度，動態(tài)選擇熱修整或熱調(diào)諧。
, C, Q+ A! p2 \' |
/ c0 f  n3 W+ Q; p$ ^
圖5：（a） fluidanimate和（b） radiosity應用程序執(zhí)行期間的實際溫度和預測溫度。

功率縮放技術
1 Z5 e( q, j4 U% [6 G+ ~0 j上述技術側(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等技術通過動態(tài)縮放光學通道來解決這個問題。
5 I+ K4 L0 L- }4 m  y* [, @
  [$ y* O! p" a) I* ~PEARL使用粗粒度反應式方法結(jié)合主動式機器學習來預測帶寬需求并相應地縮放激光功率。

: C; f& c1 k, b9 T
圖6：PEARL中動態(tài)功率縮放的框架。
. z" M+ |3 C; O* K' D
WAVES在考慮熱變化和制程變化的同時，選擇應用程序所需的最少光學信號（波長）數(shù)量。它激活最佳波長組合以最小化調(diào)諧范圍。
* o7 k2 ^: D' N; L2 a1 ~$ Q3 \  x
1 s% u, g9 w: A6 N" D0 APROWAVES通過考慮應用程序執(zhí)行期間的動態(tài)帶寬需求來增強WAVES。它使用時間序列預測來預測網(wǎng)絡活動并主動選擇光學通道。

+ B: i& T( \% m" }
) ~9 c9 R; l  d! o4 X# I1 S! U圖7：應用程序執(zhí)行期間硅基光電子鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量。應用程序有數(shù)據(jù)包傳輸量較高的階段和較低的階段。
4 v: Z, P! ]% o0 ^
% _5 ?6 c! b5 W. J. S
! P  [0 Y$ S: {. J- `6 O7 D圖8：PROWAVES的流程。每個時間間隔，ARIMA預測網(wǎng)絡活動。將預測值與實際值進行比較以調(diào)整模型（如果出現(xiàn)偏差）。線性回歸模型使用預測的網(wǎng)絡活動選擇光學信號。
3 @4 N1 N. L+ z5 l3 A, F

應用程序級儀器輔助（instrumentation-assisted）
片上通信流量和溫度分布也取決于軟件實現(xiàn)。應用程序儀器輔助可以為系統(tǒng)級策略提供特權(quán)信息，以便更好地決策。
$ D+ x7 }" a. S- U6 X4 C4 S
! ~. y7 e# P) h% {2 a) U% C圖9：應用程序儀器輔助（instrumentation-assisted）帶寬分配技術的框架。

6 v1 N9 j/ P, j+ |  r. @2 |與非儀器（non-instrumented）版本相比，PageRank算法的儀器版本使用WAVES實現(xiàn)了35%更高的光電子功率減少。

) D! D; A8 e% p$ A
  L6 {4 \% d  x2 @結(jié)論
硅基光電子網(wǎng)絡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)。

本文探討了各種系統(tǒng)級管理技術來解決這些挑戰(zhàn)：

考慮熱變化和制程變化的工作負載分配和遷移策略（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態(tài)調(diào)整活躍光學通道數(shù)量的功率縮放技術（PEARL、WAVES、PROWAVES）。

應用程序級儀器輔助，為更有效的系統(tǒng)級管理提供額外信息。

, K0 s- w6 c; y( g3 r# a9 N這些技術在保持性能的同時顯著降低了光電子功耗。隨著硅基光電子技術的不斷成熟，這些系統(tǒng)級管理方法對于實現(xiàn)具有高性能片上通信的節(jié)能多核系統(tǒng)將非常重要。

( d# a: `) O3 A+ I) n1 R未來的研究方向可能包括：
6 p4 M8 t/ v2 T. D

探索機器學習技術，以更準確地預測熱分布和帶寬需求。

研究在工作負載管理中同時考慮計算和通信方面的協(xié)同優(yōu)化方法。

開發(fā)標準化的應用程序級插樁接口，以促進變化感知系統(tǒng)管理技術的廣泛采用。

* R- |. o  `7 d6 y通過智能系統(tǒng)級管理解決熱變化和制程變化的挑戰(zhàn)，硅基光電子網(wǎng)絡可以充分發(fā)揮2.5D集成多核系統(tǒng)在下一代計算應用中的潛力。
% s2 \- [  p- W+ \9 V) M

/ R3 \% Q& ]& D參考文獻
9 |% C5 M, O3 Y  f6 p[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.

. J% t/ z3 z8 J+ |/ J. ^/ |* L8 ^) _- END -

6 i) n6 @# P* n軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
7 O, D  j4 W" F' u# e1 W
/ f; F1 V" Q4 _: ?4 a+ p$ V



關注我們
0 m$ G9 C# m; y) l

0 _0 A) ^. C' W9 U+ i- \! ~  s

- G. H3 G) c. ?1 q) _

                     



% P! a( ]- y- \) K1 u: @; [5 ~關于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

http://www.latitudeda.com/
, j$ B5 @+ m" C0 b3 B; A) ^（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）