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SCHEDA PROGETTO DI COLLABORAZIONE
TITOLO DELL’ATTIVITÀ DI RICERCA
Studio, definizione e valutazione di architetture chip-multiprocessor abilitate da tecnologie di interconnessione
fotonica su chip e definizione di techiche di ottimizzazione feedback-driven a tempo di
compilazione/linking/runtime
SOGGETTO PROPONENTE
Ing. Sandro Bartolini
OBIETTIVI/FINALITA`: descrizione dell’attività di ricerca
Il lavoro di collaborazione si inserirà nell’ambito del progetto triennale FIRB PHOTONICA che esplorerà
architetture di processori multicore dotati di tecnologie innovative di interconnessione fotonica su chip, sia
passive che attive (riconfigurabili). I supporti e meccanismi tecnologici su silicio saranno studiati dal gruppo di
ricerca del Politecnico di Bari, mentre le proposte di Network on chip fotoniche saranno studiate e definite dal
gruppo di ricerca dell’Università di Ferrara. Nell’unità di Siena si studieranno architetture di multi processori su
singolo chip basati su tecnologie di interconnessione e reti fotoniche definite nelle altre unità, al fine di
evidenziare le organizzazioni architetturali più efficaci e performanti sia dal punto di vista prestazionale che di
consumo di potenza.
In particolare, il lavoro oggetto della collaborazione ha come obiettivo lo studio, definizione e valutazione di
architetture chip-multiprocessor abilitate da tecnologie di interconnessione fotonica su chip e definizione di
techiche di ottimizzazione feedback-driven a tempo di compilazione/linking/runtime.
Motivazioni e macro obiettivi del progetto complessivo
Lo stato dell’arte dei lavori nel campo delle reti fotoniche sembrano aprire nuove problematiche piuttosto che
chiuderne alcune. Essi fondamentalmente provano la praticabilità della tecnologia ottica per l'interconnessione
di CMP, ma forniscono solo alcune soluzioni in uno spazio di progetto immenso. Tuttavia, questi "design
points" non riescono ad essere convincenti, soprattutto per la mancanza di un framework per la esplorazione
dello spazio di progetto.
Difatti, molte soluzioni presentano limiti evidenti (scalabilità, comportamento bloccante). Anche quando questi
problemi vengono risolti mediante opportune tecniche di progettazione, manca la vista architturale complessiva,
in base alla quale capire se i problemi non siano stati semplicemente spostati ai livelli di progetto superiori.
In tutti i casi, non vengono quasi mai considerate le ottimizzazioni che un bus fotonico consente a livello
sistema, laddove viene progettata la gerarchia di memoria, la gestione dei dati o le ottimizzazioni del
compilatore.
Infine, un'altra problematica spesso elusa consiste nel valutare i requisiti di buffering che la rete fotonica pone
sul sotto-sistema elettronico. Per un dominio di ricerca molto giovane quale quello delle reti fotoniche, un
framework per la esplorazione dello spazio di progetto è necessario per valutare l'efficacia delle soluzioni
proposte in relazione ai problemi (es., mancanza di buffer e di elaborazione ottica maturi).
Questo progetto fa sua questa necessità e propone un framework per la esplorazione dello spazio di
progettazione delle infrastrutture di comunicazione fotoniche on-chip. I design points non saranno valutati
singolarmente, ma verranno valutati i trade-off e il loro cambiamento quando ci si sposta da semplici strutture a
bus fotonico a reti ottiche passive fino a vere reti attive riconfigurabili. Questi trade-off sono ben conosciuti in
ambito elettronico, mentre non lo sono per nulla per le controparti ottiche.
Il progetto mira a cogliere le interrelazioni tra le scelte di progetto a diversi livelli di astrazione nella gerarchia
di progetto. Di conseguenza, l'esplorazione dello spazio delle reti fotoniche è stata articolata in tre domini:
quello tecnologico, quello architetturale e quello sistemistico.
A livello fisico, sarà effettuata una caratterizzazione accurata delle proprietà dei dispositivi nanofotonici
fondamentali. Questa attività sarà validata mediante la realizzazione di prototipi in tecnologia SOI presso il
J.Watt Nanofabrication Center dell'Università di Glasgow. Saranno valutate anche diverse alternative
tecnologiche, dalle comuni realizzazioni Si/SiO2 a soluzioni pionieristiche facenti uso di dispositivi a band-gap
fotonico o di polimeri. Dall'altra parte, questa attività consentirà lo sviluppo di modelli parametrizzati dei
fenomeni fisici fondamentali al fine della loro integrazione in simulatori architetturali. Ciò consentirà, ad un
livello di astrazione più alto, di sviluppare varianti architetturali di NoC senza perdere il dettaglio delle
implicazioni sulla realizzazione fisica.
A questo livello, sarà accuratamente valutata l'interazione tra le scelte progettuali dei blocchi architetturali e le
implicazioni a livello topologico.
Infine, questo progetto intende fornire anche una vista a livello sistema, per capire come l'architettura HW/SW
di una piattaforma CMP può essere riorganizzata e customizzata attorno ad una interconnessione ottica.
Il principale risultato di questa progetto sarà una esplorazione comprensiva e accurata dello spazio di progetto
delle architetture di comunicazione fotoniche on-chip: la presenza di unità di ricerca con competenze
interdisciplinari e di un forte punto di coordinamento garantirà il perseguimento di risultati coerenti frutto
dell'analisi a diversi livelli di astrazione e delle loro dipendenze.
Obiettivi specifici del progetto e delle unità di ricerca
Il principale obiettivo scientifico del progetto è quello di eseguire una esplorazione dello spazio di progettazione
di architetture di interconnessione ottica per sistemi integrati multi-core. L'obiettivo intende sopperire alla
mancanza attuale di framework esplorativi dove diverse soluzioni possano essere confrontate rispetto ad una o
più sfide legate alla progettazione di interconnessioni ottiche integrate. In assenza di questo framework, le
soluzioni finora proposte rimangono punti isolati nello spazio di progetto, senza che sia possibile valutare la
efficacia di soluzioni intermedie perché non è chiaro come cambino i trade-off quando si va da un design point
all'altro. Per le architetture di NoC elettroniche, questi trade-off sono chiari. Ad esempio, quando si aumenta il
numero di porte di I/O di uno switch, diminuisce la massima frequenza operativa dello switch stesso. Viceversa,
per le reti fotoniche questo trade-off non è chiaro, dal momento che un numero maggiore di porte implica un
numero maggiore di elementi di commutazione ottica, con conseguenti problemi legati alle interferenze, alle
curvature delle guide d'onda, ma anche alla necessità di impedire l'interazione tra percorsi di ingresso-uscita
paralleli (blocking). La dipendenza della banda massima da questi fenomeni è un interessante oggetto di ricerca.
Questo e altri esempi dimostrano la necessità di una esplorazione dello spazio di progetto che chiarisca i tradeoff nella progettazione di blocchi architetturali e di interi sistemi di comunicazione in tecnologia ottica.
Il progetto persegue questo obiettivo a diversi livelli di astrazione. In presenza di tecnologie eterogenee, un
approccio trasversale a diversi livelli di astrazione è necessario per avere risultati credibili e poter sviluppare
architetture efficaci.
Il progetto affronterà l’impiego della tecnologia ottica a tre diversi livelli di astrazione: quello tecnologico,
quello architetturale e quello sistemistico. Ognuna delle tre unità del progetto guiderà l'esplorazione ad uno
specifico livello di astrazione, richiedendo una interazione ed un coordinamento costanti tra le attività. Questo è
garantito dalla presenza di tutte le competenza nell'unità UNIFE che dunque garantisce la coerenza globale del
progetto. Ciò consente di vedere nelle unità UNISI e POLIBA due specializzazioni avanzate di quelle
competenze in ambiti particolari.
Figura 1: Milestones, macro-attività e interazioni tra le tre unità di ricerca.
La figura 1 mostra le milestone delle diverse unità nel perseguimento dell'obiettivo generale del progetto. Le
frecce indicano, anno per anno, le interdipendenze.
A livello tecnologico (Unità di Bari), vengono perseguiti due obiettivi fondamentali: il progetto e la
caratterizzazione dei dispositivi ottici fondamentali, alla base di qualunque architettura di interconnessione
ottica che sarà sviluppata da UNIFE, e l'esplorazione dello spazio di progetto tecnologico.
Rientrano nel primo macro-obiettivo i seguenti obiettivi più specifici:
- Sviluppo di codici di calcolo basati sui metodi Refractive Effective Index Method (REIM), FDTD (Finite
Difference Time Domain) e BPM (Beam Propagation Method).
- Progetto di dispositivi fotonici innovativi per l'interconnessione ottica. Tali dispositivi potranno essere inseriti
come building block in reti NoC complesse. In particolare, saranno considerati dispositivi fotonici in tecnologia
Si/SO2 che è altamente compatibile con le tecnologie elettroniche integrate CMOS. Inoltre, saranno studiati
modulatori basati sull'interferometro di Mach-Zehender (MZIMach Zehender Interferometer) e switch basati su
risonatori ad anello, sfruttando la variazione dell'indice di rifrazione indotta nel silicio per effetto termo-ottico o
mediante iniezione di portatori liberi. Dal perseguimento di questo obiettivo ci si attendono modelli alle porte
dei dispositivi ottici elementari che consentano ad un simulatore architetturale di più alto livello di vederli come
black-box e di poterli comporre in strutture architetturali più complesse senza perdere il dettaglio dei fenomeni
fisici fondamentali.
Rientrano nel secondo macro-obiettivo invece i seguenti obiettivi specifici, che estendono lo spazio di progetto a
livello tecnologico in una direzione non ancora affrontata dalla odierna letteratura scientifica sulle NoC
fotoniche:
- Progetto di configurazioni innovative basate su dispositivi a banda fotonica proibita (PBG Photonic Band Gap)
costituiti da strutture periodiche realizzate in tecnologia Si/SO2. Saranno valutate e confrontate le prestazioni
dei diversi dispositivi e saranno forniti alle altre unità di ricerca i parametri alla porta (quali perdite d'inserzione,
cross-talk, etc.) necessari per la caratterizzazione della rete a livello superiore.
- Progetto di configurazioni innovative basate su tecnologie alternative per la realizzazione di dispositivi
fotonici per l'interconnessione ottica prevedendo l'utilizzo di altri materiali dotati di proprietà ottiche lineari e
non lineari (inclusione nel dispositivo di materiali, quali polimeri o cristalli liquidi). Da questa ricerca ci si
attende un trade-off tra miglioramento di performance (legato per esempio al miglior indice di rifrazione dei
polimeri) e la densità di banda dei polimeri stessi, che potrebbe richiedere un utilizzo più aggressivo di
modulazione WDM.
A livello di architettura di rete (Unità di Ferrara), l'obiettivo fondamentale è quello di sviluppare
architetture di NoC fotoniche in grado di soddisfare i requisiti della realizzazione fisica e di implementare in
modo efficiente tutte le caratteristiche che una rete di interconnessione deve avere (meccanismi di switching, di
routing e di controllo di flusso).
In pratica, sono quattro gli obiettivi di secondo livello in cui il macro-obiettivo si articola:
- Sviluppo di un ambiente di simulazione per sistemi in tecnologia eterogenea. Il dominio ottico e quello
elettronico possono essere co-simulati oppure modellati mediante un linguaggio di descrizione unificato.
- Organizzare gli elementi di commutazione ottica fondamentali in entità architetturali di più alto livello detti
switch nanofotonici. L'obiettivo primario resta quello di esplorare lo spazio di progetto per questi switch. Sono
difatti possibili diverse soluzioni. Da una parte, si possono utilizzare strutture di routing fotoniche passive a
bassissimo costo attraverso percorsi staticamente predefiniti e facenti uso della flessibilità offerta dalla
modulazione WDM. Dall'altra parte, ci sono architetture di switch attivi o riconfigurabili, dove la frequenza di
risonanza degli elementi di commutazione viene modificata a run-time.
- La realizzazione di una rete implica anche la definizione di parametri e politiche che riguardano l'architettura
complessiva. Lo scopo è quello di condurre uno studio esplorativo delle topologie più adatte per le reti
fotoniche, cercando in particolare di materializzare in ambito fotonico i vantaggi di topologie quali multi-stage
interconnection networks o mesh multi-dimensionali che i vincoli della progettazione elettronica non riescono a
materializzare. Saranno inoltre ricercate diverse soluzioni per il controllo di flusso, che differiranno in modo
significativo dalle reti elettroniche per il fatto che elementi di bufferizzazione non sono disponibili in tecnologia
ottica. Da questo punto di vista, verrà posta l'enfasi su tecniche di controllo di flusso di tipo end-to-end.
- Infine, verrà effettuato un confronto sistematico tra diverse tecnologie e/o architetture di interconnessione. Il
confronto riguarderà una rete elettronica ad elevata maturità, una rete ottica con switch passivi, una con switch
attivi, ed eventualmente una rete ottica alternativa basata su tecnologie futuribili (cristalli fotonici, polimeri). Il
confronto riguarderà la performance, l'area e il consumo di potenza e sarà condotto con un pattern di traffico che
l'esplorazione a livello sistema indicherà.
A livello sistemistico (Unità di Siena), l'obiettivo fondamentale è quello di studiare le ottimizzazioni
HW/SW che sono rese possibili dall'utilizzo di tecnologia di interconnessione fotonica. Quest'ultima, infatti, ha
importanti implicazioni a questo livello, in quanto la architettura HW/SW può essere riorganizzata e
customizzata per il particolare tipo di interconnessione utilizzata.
Un primo macro-obiettivo è quello di studiare e definire moderne architetture CMP adeguate ad utilizzare gli
elementi di comunicazione ottica proposti nel progetto (link e reti passive e attive, con le varie tecnologie
proposte), e da questo ci si attende di evidenziare le organizzazioni architetturali e le ottimizzazioni dei
parametri coinvolti che riescono a sfruttare meglio le caratteristiche delle specifiche soluzioni.
La valutazione verrà effettuata considerando gli aspetti prestazionali (velocità, potenza), di scalabilità e
flessibilità, oltre che di ri-configurabilità, che permettere l'adattamento ai requisiti delle diverse applicazioni.
Potranno essere prese in considerazione architetture CMP anche eterogenee e l'attività di ricerca si focalizzerà
sull'applicazione della comunicazione ottica nell'ambito del sottosistema di memoria (ultimo livello di cache onchip, last-level (LL) cache, che costituisce il naturale mediatore della comunicazione e sincronizzazione tra i
core del chip. Per problemi di wire-delay, si prevede di studiare LL cache ad accesso non uniforme (NUCA),
organizzate in banchi distribuiti sul chip e interconnessi tramite una NoC.
- Un sotto-obiettivo sarà quello di valutare un CMP dotato di LL cache NUCA in cui un link ottico (pseudo-bus)
supporti la comunicazione rapida lungo tutto il chip di: segnali di broadcast per la ricerca dei dati in cache e per
la gestione dei messaggi di coerenza. Ci si aspetta che questa architettura di NoC ibrida elettrica-ottica possa
fornire vantaggi rispetto alla NoC tradizionale su cui tali operazioni sono molto onerose.
- Un altro sotto-obiettivo sarà la valutazione di un'architettura dotata di NoC completamente ottica e basata su
switch statici. In questo caso, la NoC supporta sia i segnali descritti prima che il traffico effettivo dei dati, a
fronte di una configurazione completamente statica.
- Infine, l'ultimo sotto-obiettivo sarà costituito dalla definizione e valutazione di una architettura costruita
attorno ad una NoC ottica attiva, cioè dotata di switch riconfigurabili. Questa offre una maggiore flessibilità
rispetto alla passiva ma, dovendo essere affiancata da una rete elettronica per la configurazione degli switch, ci
attendiamo di verificare trade-off complessivi molto diversi.
L'altro macro-obiettivo del progetto, che si intreccia con il precedente, è costituito dallo studio di tecniche di
ottimizzazione a tempo di compilazione che mirano a massimizzare lo sfruttamento delle soluzioni di
interconnessione ottica (oNoC) nel loro reale contesto di uso hardware e software.
Verranno studiate e proposte ottimizzazioni specifiche per le diverse classi di soluzioni progettate nelle altre
Unità, tra cui: architetture basate su uno pseudo-bus ottico, su reti ottiche passive e attive, che utilizzino diverse
tecnologie di basso livello (es.cristalli fotonici e polimeri). In generale, i risultati attesi dalle ottimizzazioni sono
valutabili nel miglioramento assoluto di parametri prestazionali dell'architettura stessa.
Inoltre, l'unità si prefigge di definire benchmark rappresentativi del carico di moderni CMP e di effettuarne una
caratterizzazione dal punto di vista del comportamento verso il sottosistema di cache e NoC. Usando queste
informazioni, ci aspettiamo che le altre Unità possano progettare i dispositivi ottici e di rete in base ai reali
requisiti applicativi e che l'Unità di Siena possa studiare tecniche di ottimizzazione feedback-driven efficaci.
Più specificamente, l'unità proporrà tecniche di ottimizzazione delle applicazioni che siano realizzate nel
compilatore/linker/post-link, e mirino a massimizzare l'efficacia con cui l'infrastruttura di comunicazione ottica
supporta la località, i pattern di comunicazione e di interazione espressi dalle applicazioni.
Oltre a ciò, verranno definite ottimizzazioni con l'obiettivo duale di adattare l'architettura ai requisiti
dell'applicazione. Si tratta di identificare la modalità di sfruttamento delle caratteristiche di flessibilità e di
(ri-)configurabilità presenti nell'infrastruttura di comunicazione ottica (es. ridondanza di percorsi o supporto di
tecniche WDM) e nella LL cache (re-mapping degli indirizzi), mirando a massimizzare metriche prestazionali e
di efficienza nell'uso delle risorse.
Infine, un obiettivo sarà la definizione di ottimizzazioni ibride hardware/software, in cui si proporranno: a)
modifiche hardware a basso costo (area), volte a esporre nuove interfacce di (ri)-configurazione che permettono
maggiore flessibilità, gestibilità e prestazioni e, b) logiche di controllo dell'ottimizzazione, anche molto
sofisticate ma realizzate offline nel compilatore/linker.
RESPONSABILE dell’attività di ricerca
Ing. Sandro Bartolini
Eventuale descrizione dell’ATTIVITÀ COMPLESSIVA di ricerca: (Obiettivo/Finalità)
DESCRIZIONE FASI E SOTTOFASI dell’attività di
ricerca
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selezione dell’infrastruttura di simulazione e
definizione dell’architettura CMP ‘state-of-art’ con rete
di
interconnessione
elettronica.
Modellazione
dell’architettura nel simulatore.
Selezione dei benchmark di riferimento rappresentativi
di applicazioni multithread, valutazione delle loro
prestazioni e caratterizzazione del loro comportamento.
Definizione di possibili strategie di ottimizzazione
HW/SW del sistema.
Definizione di un’architettura CMP dotata di un link
ottico per segnalazione inter-core. Analisi delle
prestazioni e ottimizzazione feedback-driven delle
applicazioni rispetto all’architettura. Ottimizzazione
dell’architettura e tuning dei parametri della tecnologia
ottica. Caratterizzazione del traffico di comunicazione.
Definizione di una variante di architettura CMP con
una rete ottica passiva (sia per dati che per
segnalazione).
Studio di tecniche di ottimizzazione feedback-driven
delle applicazioni per una rete ottica passiva.
Analisi delle prestazioni e caratterizzazione del
traffico.
Definizione di un’architettura CMP dotata di rete ottica
attiva, e variante che fa uso di cristalli fotonici.
Caratterizzazione prestazionale e analisi di possibili
tecniche
di
ottimizzazione
feedback-driven
dell’architettura e dell’applicazione (es.: migrazione
dati)
Valutazione di varianti di rete ottica dotata di elementi
ottici polimerici e conseguente tuning architetturale e
basato su ottimizzazioni profile guided.
Studio
di
ottimizzazioni
HW/SW
per
la
riconfigurabilità a software degli elementi ottici.
Obiettivi delle singole fasi
mesi
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12
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12
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Scelta del simulatore di riferimento e modellazione
dell’architettura baseline
Selezione dell’insieme dei benchmark di riferimento e
caratterizzazione del loro comportamento intrinseco
(es.: località) e del carico indotto sull’architettura (es.:
traffico).
Individuazione di possibili strategie di ottimizzazione
feedback-driven sull’architettura di cache NUCA dotata
di NoC elettronica ad-hoc.
Modellazione all’interno del simulatore di un link
ottico con funzione di pseudo-bus per il traffico di
coerenza e di look-up.
Valutazione
prestazionale
dei
benchmark
sull’architettura simulata al variare dei parametri
topologici, ottici e architetturali in genere, anche in via
comparativa con l’architettura baseline.
Modellazione e valutazione di un’architettura dotata di
rete ottica passiva e comparazione con le precedenti
soluzioni. Variazione dei parametri architetturali e
topologici per identificare i tradeoff migliori.
Identificazione di ottimizzazioni feedback-driven per
tali architetture e valutazione simulativa dei loro effetti
Modellazione all’interno del simulatore di una rete
ottica attiva e studio di possibili varianti topologiche,
architetturali e ottiche finalizzate all’efficienza
complessiva.
Valutazione prestazionale e confronto con le altre
architetture per valutare i tradeoff in funzione dei
parametri coinvolti.
Identificazione di ottimizzazioni feedback-driven adatti
a reti attive e valutazione simulativa dei loro effetti.
Proposta e valutazione di elementi addizionali di
riconfigurabilità hardware con gestione software
feedback-driven per obiettivi di prestazioni.
DURATA complessiva dell’attività: 36 mesi
Il Proponente
Il Responsabile del progetto
Sandro Bartolini
Sandro Bartolini