SimPhony：面向異構電子-光子 AI 系統的跨層建模與模擬框架

核心概念

SimPhony 是一個針對異構電子-光子 AI 系統的跨層建模和模擬框架，它通過提供統一、多功能和高保真度的模擬平台，解決了評估和創新光子 AI 硬體的挑戰。

摘要

SimPhony 概述

本文介紹了 SimPhony，一個針對異構電子-光子人工智慧 (AI) 系統的跨層建模和模擬框架。電子-光子整合電路 (EPIC) 作為新一代高性能 AI 平台具有變革性的潛力，但需要跨裝置、電路、架構和設計自動化等學科的進步。混合系統的複雜性使得即使是領域專家也很難理解設計堆疊中不同行為和交互。缺乏靈活、準確、快速且易於使用的 EPIC AI 系統模擬框架，嚴重限制了硬體創新和通用基準測試的探索。

SimPhony 填補了這一空白，它提供了一個平台，支持：

1. 通用的、可擴展的硬體拓撲表示，支持具有不同光子張量核心設計的異構多核架構。
2. 特定於光學的數據流建模，具有獨特的、超越時空維度的多維並行性和重用性。
3. 數據感知的能量建模，具有逼真的設備響應、佈局感知的面積估計、鏈路預算分析和頻寬自適應內存建模。
4. 與模型訓練框架無縫集成，用於硬體/軟體協同模擬。

通過提供統一、多功能和高保真度的模擬平台，SimPhony 使研究人員能夠跨多個領域創新和評估 EPIC AI 硬體，促進新興 AI 硬體的下一次飛躍。

光子張量核心分類法和建模挑戰

光子張量核心 (PTC) 設計的多樣性導致電路拓撲、設備和操作原理的差異，從而影響速度和功耗。表 I 按表達能力、計算機制、操作數範圍和重新配置速度對 PTC 進行了分類。

PTC 還具有超越傳統交叉開關的各種拓撲結構，例如三角形和蝶形網格。光廣播、多維共享、模擬域累加和電光 (E-O) 接口等架構特性，使系統描述和準確建模變得更加複雜。

SimPhony 組成部分

SimPhony 包含一個定制的電子-光子設備庫 SimPhony-DevLib，並支持靈活、分層和參數化的 EPIC AI 系統架構 SimPhony-Arch 建模。我們的模擬系統 SimPhony-Sim 與 TorchONN 模型訓練工具包集成，可處理具有頻寬自適應內存層次結構、數據感知功耗估計、鏈路預算分析和佈局感知芯片面積分析的光子特定數據流。

SimPhony-DevLib：全面且可定制的電子-光子設備庫

SimPhony-DevLib 基於報告的實驗數據進行設備建模，確保準確表示設備特性。光子設備功耗模型是通過 Lumerical HEAT 模擬或實驗測量獲得的，這些模擬或測量了解實際設備配置，確保快速準確的成本建模。

SimPhony-Arch：分層的、參數化的異構 EPIC AI 系統架構構建器

為了能夠靈活構建具有不同 PTC 設計和數據流的異構多核架構，我們引入了 SimPhony-Arch，這是一個分層的、參數化的架構構建器。

現有的模擬器側重於以數據流為中心的架構建模，並使用固定的 PTC 設計，通常忽略設備/電路細節。這限制了它們對基本設備/電路級定制的適用性，突顯了對通用表示以統一不同 PTC 設計的需求。

為了實現靈活的 PTC 構建，我們在 SimPhony-Arch 中定制了一個網表表示形式，將設備描述為實例，將端口連接描述為定向的雙針腳網絡。與具有無向多針腳網絡的電路網表不同，PTC 需要定向的雙針腳網絡來捕獲定向光信號流。

SimPhony-Sim：EPIC AI 系統模擬流程

SimPhony-Sim 是一個端到端的模擬流程，包括神經網路模型轉換和工作負載提取到內存模擬以及延遲、面積和能耗分析。

1. ONN 模型轉換和工作負載提取： 對於數字 DNN 加速器模擬，模型訓練和硬體映射充分解耦。相比之下，模擬混合信號 EPIC AI 系統需要跨層協同設計，從而導致模型訓練、轉換、映射和架構模擬過程緊密耦合。
2. 特定於光子的數據流和延遲分析： 除了支持 GEMM 的標準數據流（例如，權重/輸入/輸出固定）之外，我們還強調 SimPhony-Sim 中獨特的光子特定映射和並行性。
3. 頻寬自適應內存層次結構建模： SimPhony-Arch 採用四級內存層次結構，包括片外高帶寬內存 (HBM)、全局緩衝區 (GLB)、本地緩衝區 (LB) 和寄存器文件 (RF)。
4. 鏈路預算分析： 鏈路預算分析對於光子系統至關重要，可以分析關鍵路徑插入損耗並得出激光源功率要求和光信噪比 (SNR)。
5. 數據相關的設備響應感知能量分析： 為了準確地對 EPIC AI 系統的能量進行建模，SimPhony-Sim 通過 CACTI 模擬的內存能量和基於實際操作數值和實際設備功耗建模的計算能量來捕獲數據訪問能量。
6. 佈局感知芯片面積分析： 芯片面積對於製造和封裝成本以及指導設計優化至關重要。SimPhony-Sim 支持快速、逼真的佈局感知面積估計。

結論

本文介紹了 SimPhony，一個用於 EPIC AI 硬體的跨層建模和模擬框架，支持特定於光子的設計評估和跨實現的公平比較。通過強調使用通用且可擴展的表示形式進行準確的設備/電路級建模，SimPhony 橋接了硬體和軟體堆棧，以支持靈活的硬體構建、驗證和具有多維指標權衡的架構探索。

统计

TO 設備的熱時間常數為 10 µs。
PCM 單元的寫入延遲超過 100 ns，在 5 GHz 時每次切換需要 500 個週期才能實現 100 ns 的重新配置延遲。
SimPhony 使用 CACTI-45 nm 進行內存模擬，而 LT 使用 PCACTI-14 nm。
節點面積被低估了 72%。
PS 能量從 0.0537 µJ 減少到 0.0215 µJ，功耗降低了約 60%。

引用

从中提取的关键见解

SimPhony: A Device-Circuit-Architecture Cross-Layer Modeling and Simulation Framework for Heterogeneous Electronic-Photonic AI System

by Ziang Yin, M... 在 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13715.pdf

更深入的查询

SimPhony 如何與其他新興技術（如量子計算）整合，以進一步提高 AI 系統的性能和效率？

SimPhony 作為一個跨層模型和模擬框架，為整合量子計算等新興技術提供了獨特的機會，以突破 AI 系統性能和效率的極限。以下是一些潛在的整合方向：

混合量子-光子 AI 系統： SimPhony 可以擴展為包含量子計算元件，例如量子位元和量子門，從而實現量子-光子 AI 系統的協同設計。通過利用量子計算在特定計算任務（如優化和線性代數）上的潛在優勢，以及光子計算在數據傳輸和矩陣運算方面的優勢，可以開發出超越經典或單獨量子/光子系統的新型 AI 架構。
量子算法與光子硬件的協同設計： SimPhony 可以作為一個平台，用於探索量子算法在光子硬件上的實現。通過模擬量子算法在光子電路上的性能，SimPhony 可以幫助識別和克服硬件限制，並指導量子-光子 AI 系統的協同設計。
量子啟發的光子計算： SimPhony 可以用於研究受量子現象啟發的新型光子計算範式。例如，SimPhony 可以模擬量子退火算法在光子電路上的實現，以解決組合優化問題，這可能比經典方法更有效。
然而，量子計算與 SimPhony 的整合也面臨著一些挑戰：

量子-光子接口： 需要開發高效可靠的量子-光子接口，以實現量子位元和光子電路之間的信息交換。
量子噪聲和誤差： 量子計算系統容易受到噪聲和誤差的影響，這對光子硬件和算法設計提出了挑戰。
可擴展性： 構建大規模、容錯的量子-光子 AI 系統需要克服重大的技術挑戰。
總之，SimPhony 與量子計算的整合為下一代 AI 系統的發展提供了巨大的潛力。通過解決技術挑戰並促進跨學科研究，我們可以利用這些新興技術的力量來推動 AI 領域的創新。

SimPhony 框架是否過於依賴模擬結果，而忽略了真實世界光子元件中可能出現的製造缺陷和變化的影響？

SimPhony 框架的確依賴於模擬結果，但它並非完全忽略真實世界光子元件的製造缺陷和變化。該框架在以下方面考慮了這些非理想因素：

可定制的器件庫： SimPhony-DevLib 允許用戶使用基於實驗數據的模型，包括器件特性和製造容差。用戶可以根據特定的製造工藝和材料特性調整器件模型，從而更準確地模擬真實世界的性能。
鏈路預算分析： SimPhony-Sim 包含鏈路預算分析功能，可以評估光信號在光路中的損耗。通過考慮插入損耗、耦合損耗和傳播損耗等因素，SimPhony 可以幫助設計人員確保光信號強度足以克服噪聲和維持系統性能。
與 ONN 訓練工具的集成： SimPhony 可以與 TorchONN 等 ONN 訓練工具集成，這些工具可以將器件非理想性和量化誤差等因素納入模型訓練過程中。這種協同設計方法有助於提高 ONN 模型對硬件缺陷的鲁棒性。
然而，SimPhony 框架在處理製造缺陷和變化方面仍有改進空間：

更精確的器件模型： SimPhony 可以通過納入更詳細的器件物理模型來提高模擬精度，例如考慮製造缺陷對器件特性的影響。
蒙特卡洛模擬： SimPhony 可以使用蒙特卡洛模擬等技術來評估製造變化對系統性能的統計影響。
與版圖設計工具的集成： SimPhony 可以與版圖設計工具集成，以更準確地模擬製造缺陷和變化對光路和器件性能的影響。
總之，SimPhony 框架在一定程度上考慮了真實世界光子元件的非理想因素，但仍有改進空間。通過不斷完善模型、引入新的模擬技術以及加強與其他設計工具的集成，SimPhony 可以更有效地應對真實世界光子計算系統的挑戰。

如果將 SimPhony 的設計理念應用於生物計算領域，例如模擬和優化基於 DNA 的計算系統，會產生什麼樣的影響？

將 SimPhony 的設計理念應用於生物計算領域，特別是基於 DNA 的計算系統，將會帶來以下的影響：

加速 DNA 計算系統的設計和優化： SimPhony 的層次化、參數化的設計方法可以應用於構建複雜的 DNA 電路模型。通過模擬不同 DNA 序列、酶和反應條件下的電路行為，研究人員可以優化電路設計，提高計算效率和準確性。
開發新的 DNA 計算架構： SimPhony 的靈活性可以促進探索新的 DNA 計算架構，例如基於 DNA 折疊、DNA 納米機器人或 DNA 編碼信息的架構。通過模擬這些新架構的性能，SimPhony 可以幫助研究人員評估其可行性和潛力。
促進 DNA 計算與其他技術的融合： SimPhony 可以擴展為包含其他生物計算元件，例如蛋白質、細胞或組織，從而實現 DNA 計算與其他生物技術的融合。例如，SimPhony 可以模擬基於 DNA 的生物傳感器或基於 DNA 的藥物遞送系統，為生物醫學應用開闢新的可能性。
然而，將 SimPhony 應用於生物計算也面臨著一些挑戰：

建立準確的生物元件模型： 生物系統的複雜性和隨機性使得建立準確的生物元件模型變得困難。
模擬大規模 DNA 電路： 大規模 DNA 電路的模擬需要巨大的計算資源和高效的算法。
實驗驗證： 在生物系統中實現和驗證模擬結果需要克服實驗挑戰。
總之，將 SimPhony 的設計理念應用於生物計算領域具有巨大的潛力，可以加速 DNA 計算系統的發展，並促進其在生物醫學和其他領域的應用。通過解決技術挑戰並加強跨學科合作，我們可以利用 SimPhony 的力量來推動生物計算領域的創新。