[论文解读] Graphene-based Wireless Agile Interconnects for Massive Heterogeneous Multi-chip Processors

Sergi Abadal, Robert Guirado+19 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2020

Interconnection Networks and Systems参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文提出基于石墨烯的太赫兹无线互连，作为大规模异构多芯片处理器可扩展、可重构的解决方案，利用石墨烯独特的波束成形与频率敏捷性，突破有线互连的瓶颈。核心贡献在于提出一种动态适应人工智能与加速器工作负载中多样化通信需求的敏捷、高带宽、低延迟片内无线网络愿景。

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.

研究动机与目标

• 解决由于数据需求增长以及有线互连限制，导致大规模异构多芯片处理器中通信瓶颈日益加剧的问题。
• 克服现有片内网络（NiP）与片上网络（NoC）架构在多芯片系统中灵活性差与可扩展性不足的问题。
• 探索利用基于石墨烯的太赫兹收发器与天线实现可重构、高吞吐量片内无线互连的可行性。
• 实现支持多样化工作负载（包括数据密集型人工智能加速器与多播模式）的动态、自适应通信结构。
• 识别并解决将无线互连集成到计算机体系结构中的跨层挑战，涵盖物理层至系统级仿真。

提出的方法

• 提出在太赫兹频段（0.3–3 THz）使用基于石墨烯的天线与收发器，实现多芯片封装内高带宽、低功耗的无线互连。
• 利用石墨烯独特的电学与光学特性，实现频率-波束可重构，从而动态适应不断变化的通信模式。
• 将无线互连作为有线NoC/NiP的补充网络，尤其适用于片外通信与高延迟通信场景。
• 开发一种协同设计方法，将物理层能力（波束成形、频率敏捷性）与MAC层协议及系统架构相连接。
• 提出需要新型系统仿真器，以在不依赖完整物理层仿真前提下，大规模建模热效应、干扰与传播特性。
• 通过基于天线表征、电磁波传播与电路设计的非物理行为模型，对无线性能进行建模，实现高效的架构探索。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于石墨烯的太赫兹无线互连是否能够提供足够的带宽与可重构性，以满足大规模异构多芯片处理器的动态通信需求？
• RQ2 石墨烯收发器中的频率-波束可重构性如何实现对人工智能加速器中常见的一对多与广播通信模式的高效支持？
• RQ3 在现有基于NiP与NoC的多芯片系统中，集成无线互连面临的关键体系结构与系统级挑战是什么？
• RQ4 如何增强系统仿真器，以在架构层面准确建模无线互连，包括干扰、热影响与协议行为？
• RQ5 为优化无线互连与深度神经网络等应用工作负载的集成，需要何种协同设计方法？

主要发现

• 基于石墨烯的太赫兹收发器具备高带宽与波束-频率可重构性，可实现敏捷、动态的互连，适应不断变化的通信需求。
• 无线互连可缓解有线NoC与NiP在长距离与广播通信中的延迟与能耗瓶颈，尤其在多芯片系统中效果显著。
• 无线互连的集成对数据密集型工作负载（如人工智能加速器）尤为有益，因为这些场景中频繁出现多播与长距离数据传输。
• 现有计算机体系结构仿真器缺乏对无线通信建模的充分支持，亟需开发新型仿真框架，将物理层行为与系统级性能相集成。
• 在石墨烯天线与芯片环境的集成、协议-架构协同设计，以及无线增强系统中干扰与热效应的精确建模方面，仍存在关键挑战。
• 所提出的无线互连愿景推动了从刚性有线互连结构向灵活、可重构的纳米网络的转变，能够支持未来异构且可扩展的处理器架构。