包含一百萬個晶體管的片上系統(tǒng)(SoC)在不遠(yuǎn)的過去被認(rèn)為是大型器件。如今，SoC 通常包含多達(dá)十億個晶體管。例如，考慮最近的案例研究 SiMa.ai 以及其名為MLSoC的新機器學(xué)習(xí)(ML)芯片;它在嵌入式邊緣提供輕松的機器學(xué)習(xí)。

　　該MLSoC在16納米技術(shù)節(jié)點上創(chuàng)建，由數(shù)十億個晶體管組成。與當(dāng)今 SoC 設(shè)計中幾乎總是如此一樣，MLSoC 由現(xiàn)成的第三方知識產(chǎn)權(quán) (IP) 模塊與內(nèi)部開發(fā)的機器學(xué)習(xí)加速器 (MLA) IP 的復(fù)雜組合組成。

　　圖1 MLSoC 芯片將主機處理器和 ML 加速器功能結(jié)合在一個設(shè)備中。源： SiMa.ai

　　第三方 IP 是眾所周知的標(biāo)準(zhǔn)功能，例如處理器和通信內(nèi)核(以太網(wǎng)、USB、I2C 和 SPI)以及外圍設(shè)備，這種過程不值得花時間和精力在內(nèi)部開發(fā)。將該SoC與其競爭對手區(qū)分開來的“秘密武器”是MLA，它提供每秒50萬億次操作(TOPS)，同時消耗微不足道的5瓦功率。

　　組合來自不同供應(yīng)商的數(shù)百個 IP 的一個問題是，SoC 行業(yè)已經(jīng)定義和采用了多個互連協(xié)議(OCP、APB、AHB、AXI、STBus 和 DTL)，并且每個 IP 可能使用不同的協(xié)議。此外，每個 IP 可能支持不同的數(shù)據(jù)寬度，并以單獨的時鐘頻率運行。可以想象，讓這些 IP 相互通信可能會令人生畏。

　　輸入編號

　　連接數(shù)百個不同 IP 的最佳解決方案是采用片上網(wǎng)絡(luò) (NoC)。NoC 使用緩沖區(qū)和交換機在發(fā)起方和目標(biāo) IP 塊之間傳遞數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包都包含一個標(biāo)頭，其中包括一個包含源地址和目標(biāo)地址的 ID，以及一個包含數(shù)據(jù)的正文。可以同時運行大量數(shù)據(jù)包。

　　每個 IP 都有一個或多個稱為套接字的接口。網(wǎng)絡(luò)接口單元 (NIU) 將 IP 套接字連接到 NoC，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化和分組，同時滿足每個 IP 的數(shù)據(jù)寬度和時鐘頻率要求。

　　開發(fā)人員通常將IP設(shè)想為在硅芯片表面上具有方形或矩形封裝。許多開發(fā)人員沒有認(rèn)識到NoC是一個IP，盡管它跨越了整個芯片。

　　自產(chǎn)還是現(xiàn)成?

　　SoC 開發(fā)人員必須決定是內(nèi)部實施 NoC 更好還是從第三方供應(yīng)商處獲取它更好。對于許多團隊來說，這不是問題，因為他們?nèi)狈念^開始開發(fā)全功能NoC所需的時間，資源和技能。

　　創(chuàng)建適合現(xiàn)代 SoC 的 NoC 很容易需要六名工程師工作兩年。然后是同時調(diào)試NoC和其余設(shè)計的問題。降低風(fēng)險、加快上市時間并等同于貨幣化時間的唯一現(xiàn)實解決方案是采用來自受信任供應(yīng)商的經(jīng)過驗證的現(xiàn)成 NoC。

　　技術(shù)優(yōu)勢

　　實施 NoC 需要的不僅僅是將 NIU 連接到 IP 套接字并確定任何交換機的位置以及任何緩沖區(qū)的大小和位置。由于NoC跨越整個芯片，因此有必要為物理布局團隊和工具引入流水線級(寄存器)，以滿足SoC的性能和時序規(guī)范。

　　設(shè)計涉及迭代。在流程的前端設(shè)計部分執(zhí)行迭代比同時涉及前端和后端物理布局要快得多。如果前端設(shè)計工程師手動插入這些流水線階段，并且未能在正確的位置使用足夠的管道，則后端物理實現(xiàn)團隊將無法實現(xiàn)其目標(biāo)，從而導(dǎo)致設(shè)計者返回并返工項目。

　　不幸的是，架構(gòu)師通常通過過度設(shè)計問題并插入太多管道階段來解決這個問題。盡管這將有助于物理設(shè)計團隊滿足時序要求，但任何超出需求的管道階段都會消耗芯片面積、消耗功耗并增加延遲。

　　解決此問題的一種方法是使用物理感知的NoC。這意味著，一旦物理布局團隊提供了各種IP塊的建議位置，這些數(shù)據(jù)就可以用于自動確定任何管道階段的最佳數(shù)量和位置。通過加快物理布局過程，實現(xiàn)時序收斂所需的耗時后端到前端迭代次數(shù)顯著減少。

　　一個這樣的 NoC 是 彈性諾克 5，具有物理意識并具有其他選項。對于具有數(shù)百個IP和1024+位寬連接的極端設(shè)計，F(xiàn)lexNoc XL選項提供了大容量網(wǎng)狀NoC發(fā)生器功能。FlexNoC 5 高級存儲器選項可用于涉及復(fù)雜存儲器交錯方案和非連續(xù)地址位的架構(gòu)。此選項使用多通道重新排序緩沖區(qū)，避免排序規(guī)則塊和響應(yīng)序列化瓶頸，但允許并發(fā)內(nèi)存通道讀取。

　　圖2 物理感知的片上網(wǎng)絡(luò) IP 可提高工作效率。源： 動脈

　　一些設(shè)計被認(rèn)為是安全關(guān)鍵的，這意味著故障或故障可能導(dǎo)致人員死亡或重傷，設(shè)備或財產(chǎn)損失或嚴(yán)重?fù)p壞，以及環(huán)境危害。在這種類型的設(shè)計中，F(xiàn)lexNoc 5結(jié)構(gòu)IP可以通過FlexNoC彈性選項進(jìn)行補充。該封裝可幫助設(shè)計人員實現(xiàn)符合汽車 ISO 26262 和 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)所需的功能安全特性。它還提供硬件可靠性，以增強企業(yè)級 SSD 耐用性。

　　為什么選擇現(xiàn)成的 NoC IP

　　管理復(fù)雜 SoC 設(shè)計的唯一方法是使用 NoC。與其花費數(shù)年時間和消耗工程資源在內(nèi)部開發(fā) NoC，不如通過使用值得信賴且可靠的現(xiàn)成 NoC 來節(jié)省時間、降低風(fēng)險并加快上市時間。

　　安迪·南丁格爾， Arteris產(chǎn)品營銷副總裁在高科技行業(yè)擁有超過35年的經(jīng)驗，其中包括在Arm擔(dān)任各種工程和產(chǎn)品管理職位的23年。