Interconnexions optiques intégrées sur puce pour liens broadcast – OpticALL2

WP1 - Manycore architecture demonstrator interconnected with developed all-all optical links
WP2 – Application profiling
WP4 - Broadcast link design, fabrication and characterization

CEA-LETI, C2N et INL ont contribué à la réalisation de liens broadcast préliminaires, ainsi que de structures de caractérisation pour des photodétecteurs Si-Ge de très faible empreinte, sur le run de fabrication TRX8 au CEA-LETI.

Un projet utilisant les premiers résultats de OpticALL2 (modèle multi-physique d'élément optique - PCM) a été soumis et accepté par l'ANR (AAPG 2020 – Octane).

- caractérisation du premier démonstrateur
- modélisation des liens caractérisés + intégration dans simulateur comportemental
- génération de trafic dans application manycore
- quantification des bénéfices du lien broadcast optique

1. Min/max time limits and energy penalty of communication scheduling in ring-based ONoC, Joel ORTIZ SOSA, Cedric KILLIAN, Hamza BEN AMMAR and Daniel CHILLET, NoCArc 2020, hal.inria.fr/hal-03032687

La loi de Moore ralentit et l'exploration de dispositifs alternatifs est en cours pour remplacer le transistor CMOS et les architectures traditionnelles au cœur du traitement des données. De plus, l'émergence de contraintes applicatives rigoureuses, notamment celles liées à la consommation d'énergie comme dans les centres de données et le calcul haute performance embarqué (eHPC), nécessite de nouvelles stratégies d'architecture système telles que les approches multi-cœurs et d'adaptabilité opérationnelle en temps réel.
La plupart des architectures multi-cœurs ont adopté un paradigme de communication par mémoire partagée pour simplifier le développement de logiciels. Dans ce paradigme, la cohérence du cache par le matériel garantit que les données répliquées dans les mémoires caches privées restent cohérentes les unes par rapport aux autres. Cela nécessite des communications de type broadcast : les données sont simultanément adressées à N destinations. La réalisation d'une véritable solution de multicast rend possible une architecture entièrement décentralisée, dans laquelle plusieurs copies peuvent être mises à jour simultanément, avec des améliorations de performance potentiellement en rupture.
La cohérence de cache peut passer à l’échelle avec le nombre de cœurs avec une faible surcharge matérielle, mais cela se fait au prix d'une augmentation significative du trafic. Cependant, l'utilisation d'interconnexions classiques nécessite une grande partie des ressources matérielles utilisées pour la communication au lieu du calcul réel, consomme de l'énergie, limite la flexibilité du composant et souffre de l'augmentation des effets de diaphonie et du débit de données limité. Les interconnexions deviennent ainsi le goulot d'étranglement de nombreuses architectures multi-cœurs. Par conséquent, afin de pousser plus loin l'intégration manycore et d'atteindre 0,1pJ/bit sous une bande passante totale agrégée de 100TB/s, la communication au niveau de la puce nécessite une restructuration profonde pour se conformer aux contraintes d'énergie.
La photonique au silicium est un candidat de choix pour y parvenir et des interconnexions nano-photoniques ont été proposées comme solution évolutive pour interconnecter un grand nombre de cœurs. Cependant, les communications optiques sur puce utilisant des guides d'ondes en silicium subissent plus de pertes que les communications par fibre optique (dB/cm vs. dB/km), et nécessitent une optimisation minutieuse des chemins optiques à partir des sources lumineuses, afin de maintenir un rendement énergétique élevé.
L'objectif d'OpticALL² est de concevoir des liaisons de communication optique broadcast-enabled dans les architectures manycore. Nous visons à fabriquer une liaison optique de diffusion dont la puissance optique est partagée de manière égale par toutes les destinations. Aucun résonateur optique ne sera utilisé, ce qui permettra de minimiser la latence de la liaison et conduira à des temps de communication déterministes, deux caractéristiques clés pour des protocoles de cohérence de cache efficaces. Le deuxième objectif d'OpticALL² est de proposer et de concevoir un nouveau protocole de cohérence de cache permettant. De plus, l'absence de modulateurs en anneau permettra la mise en œuvre de sources laser rapides à modulation directe (jusqu'à 25Gb/s), pour lesquels aucune calibration n'est nécessaire, et conduira ainsi à des interconnexions avec le haut débit requis pour le calcul haute performance.
Les principaux objectifs sont :
1 : Concevoir une interconnexion nano-photonique à haute efficacité énergétique qui passe en dessous de la barrière de consommation d'énergie de 0,1pJ/bit pour une bande passante totale de 100TB/s agrégée.
2 : Définir un protocole de cohérence de cache broadcast-aware permettant d'interconnecter des centaines de mémoires cache.
3 : Fabriquer et caractériser un démonstrateur supportant la diffusion optique pour une architecture multi-cœurs.