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使用CNSim评估Chiplet网络

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发表于 2025-1-10 08:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言( M" x+ M: ?' b  |% ?3 }  b

* J( P  d& P% t7 D. MChiplet架构通过在一个封装中集成多个硅芯片,显著提升了计算密度和效率,改变了现代计算系统的设计方式。由于Chiplet网络的异构特性以及片上和片外网络的紧密耦合,评估这类网络存在独特的挑战。本文介绍CNSim(Chiplet Network Simulator),专门设计用于评估大规模Chiplet网络的周期精确、数据包并行仿真器[1]。
6 D2 O+ l  G6 t% D! ], y

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/ s8 T/ S8 R( e: j% ?1 P9 b: aCNSim主要特性8 F  {' M: u' h8 z  L8 C

+ {$ |" a* ]! LCNSim具有三个核心功能:
; M( L% n% E3 @! i/ `  {数据包中心架构:与传统的基于周期或离散事件的仿真器不同,CNSim采用新型的数据包中心架构,根据注入时间维护数据包队列。这种方法在保持周期精确性的同时实现了高效仿真。& C; h' V) m. p  v& m/ {

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2 l2 o; S3 U6 }. f
图1:数据包中心的CNSim架构概览,展示了关键状态值如何存储在数据包而不是网络中。
0 ~: r9 Q5 e8 m" p: _( u2 q' t2 p2 l% O/ U
并行仿真支持:CNSim实现了基于原子操作的超线程机制,支持高效的数据包并行仿真,保持最小的不一致性。仿真器可以通过工作线程同时处理多个数据包。
! Y9 b8 g3 ^9 S# K' m6 n

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( X( |% o; W4 V! q: ?图2:数据包并行方案,展示了每个工作线程如何从队列中获取数据包进行顺序处理。
/ S2 x: o1 z4 F; R8 x
* E/ F) d% L- H7 e2 D异构路由器和链路建模:CNSim通过可配置的多宽度FIFO和虚拟流水线级,提供了统一的异构路由器和链路建模。
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& V4 }7 Q9 T2 |' B8 N- G% q
图3:异构路由器和链路的统一建模方法,展示了多宽度FIFO和虚拟流水线级的实现。* w) q7 n2 l+ [+ s! E% u
使用CNSim进行网络评估
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! t3 I. b% |$ Z3 BCNSim支持多种网络拓扑,包括2D网格/环形网络、蜻蜓网络和分层拓扑。8 z- X8 s0 {9 Q0 }9 ~

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7 x1 A: G, n% J
图4:不同的异构链路Chiplet架构,展示了传统2D网格、基于Chiplet的2D网格拓扑和基于异构链路的2D环形拓扑。+ @6 t( N7 I& L: P
# o2 T1 t8 l' {! m
1 P6 T% Y4 \8 n5 b2 x9 O
在流量模式分析方面,CNSim可评估合成流量(均匀随机、位反转、位重排、位转置)、实际工作负载(PARSEC基准测试)以及集体通信(AllReduce模式)。
' }3 D7 j1 m, ]7 P* ]2 ]: g0 i3 j3 K
% U4 v" h/ o2 |4 q5 m% Q& d性能指标包含平均数据包延迟、网络吞吐量、资源利用率和拥塞统计数据。1 ~' |' i- b/ w# W; U

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: ~4 m, T7 F) a' X, B2 `0 t图5:在均匀流量模式下,不同网络配置的平均延迟与注入率关系的评估结果。
5 v6 O) h# f' W3 G: Y( n应用实例/ L. y5 |% d2 q0 f, J1 @- W
$ w4 b+ y! \" E# I
案例研究1:异构链路网络
" e  V$ O; F1 F" Z6 l4 Z. yCNSim支持评估具有不同带宽和延迟的异构链路网络,包括片上链路(1 flit/周期带宽,1周期延迟)、低延迟并行链路(1 flit/周期带宽,2周期延迟)和高带宽串行链路(2 flits/周期带宽,4周期延迟)。, {, s' l+ N; @! t

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7 u. c& B* l3 i. C: e) n
图6:不同Chiplet网络配置在各种PARSEC工作负载下的性能比较。
, e; s9 {2 d- d0 i& Q8 R. P7 I
* u" f0 n6 \& E( h1 y9 m- ~( V/ V7 ]6 ~案例研究2:大规模蜻蜓网络1 h3 i- f6 q7 ~9 K
CNSim可高效仿真从小规模(41组,1,312节点)到大规模(145组,18,560节点)的网络。2 r8 q  ~/ g) ]! V% t( m0 K3 K

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图7:不同网络规模的全局性能比较,展示了平均延迟与注入率的关系。
* R/ W" M0 m5 n* r) f1 bCNSim使用最佳实践$ i( I- [- d- Z% R4 b* l" I5 M

4 F9 U9 g2 x" I7 S" J4 u% h配置设置需要定义网络拓扑和规模、配置路由器和链路参数,以及设置流量模式和仿真时长。性能优化方面,应根据网络规模使用适当数量的并行线程,配置数据包发布宽度以平衡速度和精确度,并启用重复路由计算的缓存。结果分析包括收集延迟和吞吐量指标,分析资源利用情况,比较不同配置。% N6 X& S3 `$ e9 \2 ^! H4 W# t
总结
5 ^9 `" r+ t* j' Q7 }: s& f: q6 g8 ]5 D. {0 O$ z9 o! h
CNSim为评估Chiplet网络提供了周期精确仿真、高效并行执行、异构组件支持和全面的分析能力。, d, a; B% H' l% i

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: U8 h9 Q& F6 L9 ?5 r) E
图8:在不同注入率下BookSim和CNSim的内存消耗比较,展示了CNSim的效率。
% J  {% H( w. }: b
; V# C" T; o- Z0 m8 a8 z) o7 A通过独特的功能和能力,CNSim解决了现代Chiplet网络仿真中的关键挑战,同时保持了高性能和精确性。仿真器的开源特性使研究社区能够在此基础上进行扩展,推动网络创新。' i( ]) |' W" q3 B& b
参考文献
5 ^5 v8 @5 E! w0 }$ d2 K( N1 A+ m0 E
[1] Y. Feng, Y. Wei, D. Xiang, and K. Ma, "Evaluating Chiplet-based Large-Scale Interconnection Networks via Cycle-Accurate Packet-Parallel Simulation," in 2024 USENIX Annual Technical Conference (USENIX ATC '24), Santa Clara, CA, USA, July 10-12, 2024, pp. 731-747.
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- W) O; B8 u) \: A+ h* K! |! [0 C) |软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用,PIC Studio都可提升您的工作效能。1 V5 y8 l1 R/ a
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关于我们:
/ m- {: c3 L! r, J( c8 K  j深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。8 \% ^4 y9 g( O7 Q& z
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