原创 SoC 互连：自主研发需谨慎！

过去一年里，各大公司在互连IP 市场可谓动作频频，其中英特尔收购NetSpeed 和Facebook 收购Sonics 两大事件尤为惹人关注。这究竟是何缘故？各大公司为何如此看重互连IP？对于开发多SoC 项目的企业而言，互连是提高SoC 交付能力的关键所在吗？收购能否真正帮助企业摆脱互连开发耗时长、成本高、困难大的困境？

近期频发的市场整合预示着，一些企业可能正在考量自主研发(DIY) 互连方案的可行性。从简单的交叉开关到先进的片上系统(SoC) 全功能片上网络(NoC) 架构，需要的无非是合适的人才、丰富的知识储备和充足的预算，这些似乎并不难实现。然而问题的关键不在于能否做到，而在于是否应当去这样做。

图1：长期致力解决前沿问题（例如无人驾驶汽车的功能安全性）的厂商推出了NoC IP 方案，企业可以通过购买许可，获得出色的特性、文档和可追溯性，缩短芯片上市时间。（图片来源：Arteris IP、Arm）

在SoC 应用领域，各种需求日新月异，其中许多需求需要借助互连技术迅速加以解决，然而大多数自主研发的互连方案却并不那么“友好”。面对巨额的固定研发成本，每年研发一款芯片会严重降低成本效益，缺乏经济可行性。大多数设计团队通常采用平台方法，基于一种设计快速打造多种衍生芯片，从而满足多个市场和使用场景的需求。而互连正是打造这些半导体衍生产品的关键，缺乏一流的互连IP，会显著降低企业对新芯片需求的响应能力，严重影响企业的市场响应速度。

图2.面向不同市场和应用场合的SoC，其在NoC 互连方面的需求和优先考量事项可能会千差万别，但他们对于质量的要求却都同样严苛。

另外一个不容忽视的问题是，由于需要在功耗、延迟、带宽、数据路径和安全参数等方面进行全方位优化，因此互连网络的构建十分困难。而且，打造互连IP 还需要具备强大的工程设计能力。互连开发是一项团队活动，需要将架构、硬件和软件开发的专业知识有机结合，同时注重产品验证和质量。最为重要的是，要打造一款具有充分扩展能力的、可配置的互连IP 产品，可针对任何SoC 进行扩展。SoC 远不止是一种技术，它更是一门艺术，是一门重要性正日益凸显的艺术。

您仍然坚持要自主构建互连IP 吗？我们先来看看开发NoC 互连需要付出怎样的代价。NoC 技术通常采用数据分包方法，可以有效避免导线的使用，同时减少对芯片有效面积的占用，降低电源需求。其难点在于，如何有效设计NoC，使其能够在适当的时间将数据包交付到适当的位置，同时不会影响该区域和/或电源的正常工作。这项工作需要三类掌握不同技能的专家：一类是负责数据包、通道和服务质量相关工作的网络专家；一类是具备设计、验证和HDL 专长，可以完成底层门级设计的半导体专家；还有一类是软件专家，负责确保配置工具能够提供足够的信息和自动化水平，从而为推动互连配置的芯片架构师和互连方案实施人员提供高效且愉快的体验。请记住，互连IP 的质量具有至关重要的意义，因为互连中的一个小错误都可能导致整个项目延迟甚至失败。这意味着，有效的质检流程和实施是互连IP 交付工作成败的关键。

实际上，开发一个NoC 往往需要30 到50 名工程师，而且在上述的三个关键方面中，设计团队往往会总有一个薄弱的环节。当然，如果您并不急于上市，这样的团队最终或许也能设计出产品。然而资金也是一个主要的制约因素，因为内部互连团队往往缺乏资源，他们只是为特定的SoC 项目开发定制化的互连方案，却无法开发出广泛适用的长期解决方案。而在如今的芯片市场，设计人员的响应速度远远跟不上市场变化的步伐，往往是设计团队刚刚落地一个NoC，新的需求又摆在面前。在下一轮的芯片迭代中，为了满足性能、带宽、缓存一致性、仲裁、延迟、服务质量、电源管理和安全性等方面的新需要，设计团队可能不得不推翻原有设计，从头再来。因此，在时间上，内部互连开发团队就成为制约企业按需交付合格芯片的瓶颈。

而等到设计团队的忍耐力达到极限，决定改用许可模式的互连IP 时，可能早已错失市场良机，这非常符合达尔文的理论。对于这样的团队而言，最大的担忧是，一旦公司选择使用许可的IP，目前的互连团队该何去何从。

我们的一个Arteris IP 客户就是一个很好的例子。在与我们合作之前，这家芯片公司每年只能开发四款SoC，在内部互连IP 基础上打造的互连应用每年需要花费一个多月的时间进行各种变更。采用商用互连IP 后，该客户每年可以设计出20 多款芯片，能够经济地面向各细分市场交付定制化的芯片，在提升芯片设计效率的同时，提高了产品性价比，为企业带来更大的经济效益。最值得关注的是，尽管该客户的内部团队十几年来一直致力打造“优化的”互连方案，却在任何方面都无法匹敌商用IP 解决方案，相比内部方案，新方案平均能够为每个芯片节省3 平方毫米的片上空间。这相当于每个芯片能够节省约30 美分成本，在量产的情况下，这意味着能够为客户节省数百万美元。

如今，随着新技术市场日新月异的发展，商用NoC 互连IP 的重要性日益凸显。在汽车和机器学习/AI 这两个增长最快的市场，这一点尤为明显。在汽车市场，片上互连是决定ISO 26262 功能安全合规性的最关键因素，因为片上互连“监视”着芯片的所有数据流，一旦出现错误，能够在演变为危及系统安全的故障之前及时发现甚至加以修正。对于ML/AI 芯片和子系统而言，普遍认为其关键在于神经网络算法，以及设计团队如何通过定制的处理元件对这些算法的数学运算进行硬件加速。然而，真正的挑战是：如何向芯片持续“馈送”数据？如果您的回答是“数据流”，恭喜您答对了。片上互连是最重要的IP，负责优化AI/ML 处理元件、存储器与外设之间的数据流。

汽车和AI/ML SoC 市场日新月异的发展，不仅使得片上互连的重要性与日俱增，同时也加速了片上互连技术的创新。面对变化如此迅猛的市场环境，任何一家半导体公司想要紧跟市场发展、始终走在行业前沿，都是极为困难。幸运的是，有一批值得信赖的专业人士专注于这一领域，致力于互连IP 技术的开发。他们可以为企业提供最先进的片上互连IP，购买互连IP 许可是企业充分把握加速创新所带来的机遇并从中获益的最佳方式。