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2021年03月30日 | 以SoC为基础的NoC技术发展前景
2021-03-30 来源：EEWORLD
“网络就是计算机”，这是太阳微系统公司的John Gage在1984年提出的理论，被证明是非常有见地的。如今在SoC领域这个想法再次出现。在一个芯片中，相互通信的功能——不是通过简单的电线，而是通过如交换机、协议转换器、封装器等复杂的网络元件。这与1984年在一个机柜或房间中通过网络进行通信的一组计算机没太大区别。
在SoC出现之前，为了在一块板子上从A连接到B，工程师们可以通过一堆电线来传输数据。最大的担忧是管理电线长度，并确保A和B使用完全相同的协议进行通信，但仅此而已。真正的动作是在计算元素中。在这些珍贵的组件之间连接是一个简单的设计任务。
但在过去的几十年里，集成电路制造工艺技术、封装与测试技术、设计方法学和EDA 工具等微电子相关技术始终保持着快速的发展。根据国际半导体技术发展路线图（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）预测，到2024年每平方毫米集成的晶体管数目将达到90 亿个。但是，全局互连线的性能提升程度明显低于晶体管性能提升程度。受到亚阈值漏电流功耗、动态功耗、器件可靠性以及全局互连线等影响，通过提升单个处理器核的性能来提升系统整体性能已变得非常难以实现，同时芯片设计的难度和复杂度也在进一步增加。这个时候SoC就诞生了。SoC具有集成度高、功耗低、成本低、体积小等优点，已经成为超大规模集成电路系统设计的主流方向。随着片上系统SoC 的应用需求越来越丰富、越来越复杂，片上多核MPSoC已经成为发展的必然趋势，同时MPSoC 上集成的IP核数量也将会按照摩尔定律继续发展。
从电线到主动总线逻辑
随着SoC能力的增长，将整个板甚至更大的系统整合到单个芯片上成为可能，所有这些都由一个中央处理单元(CPU)或处理器集群管理。每个CPU运行软件来协调系统以处理需要软件支持的灵活性的功能。提供处理器的Arm等公司的解决方案迅速兴起，其他供应商也在跟进，包括CPU以外功能IP供应商。首先，通过提供外围IP来处理许多接口协议，然后发展为用于无线通信、图形处理、音频、计算机视觉和人工智能(AI)这些专门的处理器。此外，还包括片上工作存储器、缓存存储器、到片外或片外DRAM的双数据速率(DDR)接口等。
而且，还有许多很棒的功能可以集成到高级SoC中，但是它们如何通信呢?这里不能通过直接连接，因为整个芯片会被电线覆盖。CPU和内存在确定下一步要服务什么方面会慢得无法想象。相反，“所有的交通都必须通过高速公路，并设有计量入口匝道。”如果一个IP想要与中央处理器通信，它必须等待轮到它进入高速公路。
现在的Bus总线不再只是一种愚蠢的电线。监视正在进行的操作和下一步要允许的操作，二者是有逻辑的，此外，队列支持的数据在以不同速度运行的域之间流动。流水线寄存器帮助跨越很大的距离，同时满足时间限制。我们将其称为“总线结构”，通过控制逻辑、多路复用技术、寄存器和先入先出的通信顺序将连接编织起来。
总线体系结构的发展
既然有了总线结构的架构，就可以为不同的目的设想不同的架构了。高级微控制器总线体系结构(AMBA)家族本身就有多种风格，每一种都有自己的优势和限制。很可能，在一个复杂的SoC中需要几个。但是还有另一种非常不同的技术——芯片上网络(NoC)，它在概念上非常不同，NoC并没有紧密地耦合互连通信和物理传输，而是开辟了新的架构选项。
Noc的发展是以SoC为基础。SoC通常是指在单一芯片上实现的数字计算机系统，通过总线完成其中各模块之间的交互，但随着半导体工艺和需求的快速发展，总线的宽度已经成为SoC发展的瓶颈，大大限制了SoC内部通信的速度。90年代NoC技术的提出也是因为借鉴了并行计算机的互联网络和以太网络的分层思想，二者的相同点有：支持包交换、路由协议、任务调度、可扩展等。NoC更关注交换电路和缓存器的面积占用，在设计时主要考量的方面也是这些。
还有另一个重要的考虑因素。典型的SoC现在将围绕众多第三方IP和一些集成商具有定制优势的自有IP构建。这其中优势有多大呢?竞争对手可以购买相同的第三方产品，这就稀释了可能的差异化。然后，挑战就变成了设计团队如何有效地集成SoC。
我们确实有这样做的空间。带宽、吞吐量、服务质量(QoS)、功率、安全性和成本都由集成方案所决定。这些因素都受到已实现的通信架构的影响，很可能是一个NoC。最终，使芯片具有竞争力的是对IP和片上通信架构的谨慎选择。
史海拾趣
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