NoC技术,为什么成为SoC互连首选?

作者:admin  来源:半导体芯闻  发布时间:2023-10-19  访问量:1213

1984 年,Sun Microsystems的约翰-盖奇(John Gage)提出了一个非常新颖的观点——网络就是计算机(The network is the computer)。

网络本身是一种数据传输的方式,它没有处理器,又怎么会是计算机呢?


但时至今日,我们会讶异于该观点的超前,因为这就是如今云计算的工作方式,计算机网络实际上就是一台独立的计算机,通过提供大规模的计算能力和存储能力,让广域范围内的群组协作成为可能,不论是微软谷歌还是亚马逊,如今无不在践行这一理念。


这一理念并不限于因特网,还进入到了 SoC 领域,就像 1984 年在机柜或房间内通过网络通信的计算机组一般,芯片中相互通信的功能不再依靠简单的线路,而是通过交换机、协议转换器、分组器等网络元件,片上网络(Network-on-Chip, NoC)就此诞生了。


最早的时候,芯片工程师们只需要担心如何管理线路长度,同时确保不同模块使用完全相同的通信协议,但随着SoC的出现以及后续不断的扩展,一切都被改变了,单个CPU集成多个外设IP,然后再到无线通信、图形处理、音频、计算机视觉和人工智能 (AI) 的专用处理器,以及片上工作存储器、高速缓冲存储器、片外 DRAM 的双倍数据速率 (DDR) 接口等等,如今的SoC的复杂程度,早已超出了上个世纪的想象。


在如此庞大的系统中,通信就是最直接的问题,传统的片上互连方法已经无法适应时代的变化,出现了力不从心的情况,而NoC在互连模块数量较多的场景中,用更高的性能,更小的面积,赢得了SoC领域的青睐。

NoC,何以成最佳互连


随着摩尔定律的放缓,通用计算已不复往日的辉煌,为了提升芯片性能,光靠工艺制程的演进已经捉襟见肘,更多厂商转向优化更新架构,针对不同的计算设置专用的模块,确保性能发挥最大化,即所谓的异构计算,在最新的SoC中,我们可以看到专用模块往往有数十个之多,而NoC将是片上互连的最佳实现方式,这一观点也愈发深入人心。


西安交通大学任鹏举教授认为,片上互连网络是多核/众核处理器的关键技术,随着集成电路半导体工艺的发展,单芯片内将会集成越来越多的处理内核,多核芯片的出现使得传统处理器研究重心逐渐由追求单一内核的计算能力转移到片上通讯能力的研究,进而充分组织和发掘多核芯片的并行处理能力。片上互连网络的设计方法为多核芯片的通讯互连提供了一种卓尔有效的解决方案,从高性能计算机到嵌入式片上系统(SoC),该设计方法已经被越来越多的多核芯片所采用,成为了SoC技术中的核心内容之一。


他提出,在SoC设计里采用NoC技术,首先就需要定义 SoC 要求,包括性能、功耗和功能。之后再选择合适的 NoC IP,设计NoC拓扑并优化NoC配置,最后再将 NoC 与 SoC 的其余部分集成,构建出一个满足要求且性能最佳的完整 SoC。


与传统的交叉开关不同,在采用NoC技术的场景下,数据被分解为数据包,通过由互连交换机组成的分布式基础设施传输,并在适当的目的地重新组装,由于协议允许独立网络独立传输请求和响应,因此交换机不需要担心跟踪未完成的事务,对于相同的带宽,NoC 交换机将比同等 AXI 交叉开关小数倍,且由于它们重量轻,因此在优化拓扑中组合交换机比使用 AXI 交叉开关更容易。


简而言之,NoC技术简化了复杂SoC的通信,让构建芯片变得更加容易,让芯片的性能得到更进一步的释放。


快速构建SoC


时至今日,一颗SoC设计往往需要组合来自不同供应商的上百乃至数百个IP实例,它们各自采用不同的协议,支持不同的数据宽度,还以单独的时钟频率运行,保证它们相互间稳定通信就成了难题,此时最佳解决方案就是引入全新的NoC ,让它来肩负起这项重任。


需要注意的是,NoC技术虽然诞生了二十多年,但从头构建一个适合现代 SoC 的 NoC也不是一件轻易的事情,需要多名程师耗费大量时间调优整合,这对于追求产品快速上市厂商来说,显然有些难以接受,此时,一位来自值得信赖的供应商,以及经过验证的现成片上网络,就是更合适的选择。


而Arteris作为系统IP的先进提供商,目前就为有意于引入NoC的企业提供了片上网络 (NoC) 互连 IP 和 IP 部署这两大技术,它旗下的NoC IP产品FlexNoC互连IP,能帮助客户提升性能、降低功耗和面积、提高设计复用效率、加快 SoC 开发速度,从而帮助降低芯片的开发生产成本。


在人工智能与新能源蓬勃发展的当下,提升芯片算力成为了大家的迫切需求,诸如自动驾驶、人工智能、云计算、IoT与5G通信等领域的厂商,多数采用了Arteris IP,在设计SoC时导入NoC技术,可以帮助芯片企业解决过往繁复的互连,让复杂SoC设计更为轻松便捷。


NoC IP前景广阔


当我们回首过去几年SoC发展时,不难发现NoC成为了提及频率相当之高的一个词,大到巨头,小到初创企业,都开始把NoC作为关键技术推进,不少研究人员与工程师也认为,随着AI与新能源汽车的发展普及,片上互连网络势必成为未来多核/众核处理器的核心之一。


而国内芯片设计产业更是在近几年催生出了非常旺盛的需求,不论是公司数量还是产值,均实现了稳步增长,但大量初创企业虽然有进取之意,但限于自身资源,也面临着产品上市时间紧迫、对上游厂商的技术依赖较大、更多专注于差异化技术方向等问题,此时能提供合适的IP解决方案伙伴便显得尤为重要。

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国内正冉冉升起的IP企业新秀传智驿芯科技,致力于以SoC片上互连网络为起点的子系统IP及SoC芯片设计方案的开发,核心业务涵盖了片上网络(Network on Chip, NoC)IP解决方案及定制、子系统IP开发、芯片设计服务等,以Arteris产品及技术为基础,针对中国市场开展自主研发,通过客户的具体需求来提供定制NoC IP的服务,缓解了新锐芯片设计企业所面临的既要缩短产品上市时间又要提供足够差异化的压力,帮助客户集中发展自身的核心竞争力,在激烈的市场竞争中取得快人一步的优势。