[논문 리뷰] Graphene-based Wireless Agile Interconnects for Massive Heterogeneous Multi-chip Processors

Sergi Abadal, Robert Guirado외 19명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 08.

Interconnection Networks and Systems참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인공지능 및 가속기 워크로드에서 다양하게 변화하는 통신 수요에 동적으로 대응할 수 있는 확장성 있고 재구성 가능한 솔루션으로 그래핀 기반 테라헤르츠 무선 인터커넥트를 제안한다. 그래핀의 고유한 빔 및 주파수 재구성 가능성 기반으로 유선 인터커넥트의 성능 한계를 극복한다. 주요 기여는 패키지 내에서 유연하고 고대역폭이며 저지연의 무선 네트워크를 위한 비전을 제시하는 것이다.

ABSTRACT

The main design principles in computer architecture have recently shifted from a monolithic scaling-driven approach to the development of heterogeneous architectures that tightly co-integrate multiple specialized processor and memory chiplets. In such data-hungry multi-chip architectures, current Networks-in-Package (NiPs) may not be enough to cater to their heterogeneous and fast-changing communication demands. This position paper makes the case for wireless in-package nanonetworking as the enabler of efficient and versatile wired-wireless interconnect fabrics for massive heterogeneous processors. To that end, the use of graphene-based antennas and transceivers with unique frequency-beam reconfigurability in the terahertz band is proposed. The feasibility of such a nanonetworking vision and the main research challenges towards its realization are analyzed from the technological, communications, and computer architecture perspectives.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 데이터 수요와 유선 인터커넥트의 한계로 인해 발생하는 대규모 이질적 다중 칩 프로세서에서의 통신 병목 현상을 해결한다.
• 다중 칩 시스템에서 기존의 패키지 내 네트워크(Network-in-Package, NiP) 및 칩 내 네트워크(Network-on-Chip, NoC) 아키텍처의 유연성 부족과 확장성 문제를 해결한다.
• 그래핀 기반 테라헤르츠 송수신기와 안테나를 활용하여 패키지 내에서 재구성 가능한 고스루풋 무선 인터커넥트를 실현할 수 있는 가능성을 탐색한다.
• 다양한 워크로드, 특히 데이터 집약적인 인공지능 가속기와 멀티캐스트 패턴을 지원하는 동적이고 적응형 통신 패브릭을 구현한다.
• 컴퓨터 아키텍처에 무선 인터커넥트를 통합하는 데 있어 물리 계층부터 시스템 수준 시뮬레이션에 이르기까지의 다층적 과제를 규명하고 해결한다.

제안 방법

• 테라헤르츠 대역(0.3–3 THz)에서 작동하는 그래핀 기반 안테나와 송수신기를 활용하여 다중 칩 패키지 내 고대역폭, 저에너지 무선 인터커넥트를 제안한다.
• 그래핀의 고유한 전기적 및 광학적 성질을 활용해 주파수-빔 재구성 기능을 실현함으로써 변화하는 통신 패턴에 동적으로 대응할 수 있도록 한다.
• 특히 외부 칩 및 고지연 통신 시나리오에서 유선 NoC/NiP와 보완적인 패브릭으로 무선 인터커넥트를 통합한다.
• 물리 계층 기능(빔포밍, 주파수 재구성)과 MAC 계층 프로토콜, 아키텍처 설계를 연결하는 공동 설계 방법론을 개발한다.
• 물리 계층 시뮬레이션에 의존하지 않고도 열역학, 간섭, 전파 효과를 포함한 스케일링 가능한 무선 행동을 모델링할 수 있는 새로운 시스템 시뮬레이터의 필요성을 제기한다.
• 안테나 특성 분석, 전파 전파, 회로 설계에서 유도된 행동 모델을 사용해 무선 성능을 모델링함으로써 효율적인 아키텍처 탐색을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 기반 테라헤르츠 무선 인터커넥트는 대규모 이질적 다중 칩 프로세서의 동적 통신 수요를 충족할 수 있는 충분한 대역폭과 재구성 가능성을 제공할 수 있는가?
• RQ2 그래핀 송수신기의 주파수-빔 재구성 기능은 인공지능 가속기에서 흔히 발생하는 1대다 및 브로드캐스트 통신 패턴을 효율적으로 지원할 수 있는가?
• RQ3 기존 NiP 및 NoC 기반 다중 칩 시스템에 무선 인터커넥트를 통합하는 데 있어 핵심적인 아키텍처적 및 시스템 수준의 과제는 무엇인가?
• RQ4 시스템 시뮬레이터는 간섭, 열 영향, 프로토콜 행동을 포함하여 아키텍처 수준에서 무선 인터커넥트를 정확하게 모델링하기 위해 어떻게 개선되어야 하는가?
• RQ5 딥 뉴럴 네트워크와 같은 애플리케이션 워크로드와의 통합을 최적화하기 위해 필요한 공동 설계 방법론은 무엇인가?

주요 결과

• 그래핀 기반 테라헤르츠 송수신기는 고대역폭과 빔-주파수 재구성 가능성을 제공하여 변화하는 통신 수요에 적응 가능한 민첩하고 동적 인터커넥트를 실현한다.
• 무선 인터커넥트는 특히 장거리 및 브로드캐스트 통신이 빈번한 다중 칩 시스템에서 유선 NoC 및 NiP의 지연과 에너지 병목 현상을 완화할 수 있다.
• 기존의 컴퓨터 아키텍처 시뮬레이터는 무선 통신 모델링에 충분한 지원을 제공하지 못하므로, 물리 계층 행동을 시스템 수준 성능과 통합하는 새로운 시뮬레이션 프레임워크의 도입이 필수적이다.
• 그래핀 안테나를 칩 환경에 통합하는 데 있어 여전히 주요 과제가 존재하며, 프로토콜-아키텍처 공동 설계 및 무선 기반 시스템에서의 간섭과 열 영향 정확한 모델링 문제도 남아 있다.
• 제안된 무선 비전은 고정된 유선 인터커넥트 패브릭에서부터 향후 이질적이고 확장 가능한 프로세서 아키텍처를 지원할 수 있는 유연하고 재구성 가능한 나노네트워크로의 전환을 가능하게 한다.