原创 使用片上网络创建更高容量和更高性能的 SoC

不要花费数年时间在内部自己开发片上网络（NoC）。使用 Arteris 的 FlexNoC 5 片上网络互连可以提高生产率、降低风险并加快上市时间。

作者：Andy Nightingale

在不远的过去，包含一百万个晶体管的片上系统（SoC）被认为是一个大型器件。如今，SoC 通常已经包含多达十亿个晶体管。例如，看看最近的SiMa.ai 案例研究及其称为MLSoC的新型机器学习（ML）片上系统就可以了解这方面的情况，这款MLSoC可在嵌入式边缘提供轻松的机器学习。

这款MLSoC采用16nm技术节点创建，由数十亿个晶体管组成。与当今 SoC 设计中几乎一贯不变的做法一样，这款MLSoC 是一个复杂的混合体，由现成的第三方知识产权（IP）块或者与内部开发的机器学习加速器（MLA）IP 相结合的IP组合而成。

第三方 IP 是众所周知的标准功能，例如处理器和通信内核（以太网、USB、I2C、SPI 等）以及外围设备，这类功能不值得花时间和精力在内部开发。将这款SoC与其竞争对手区分开来的“秘密武器”是MLA，它提供每秒50万亿次操作（TOPS），同时功率消耗仅有微不足道的5瓦。

组合来自不同供应商的数百个IP面临的一个问题是：SoC行业已经定义和采用了多个互连协议（OCP，APB，AHB，AXI，STBus，DTL等），并且每个IP可能使用不同的协议。此外，每个 IP 可能支持不同的数据宽度，并以单独的时钟频率运行。可以想象，让这些 IP 相互通信可能会令人生畏。

了解NoC

连接数百个不同的 IP 的最佳解决方案是采用片上网络（NoC）。NoC 在发起方 IP 块和目标 IP 块之间传递数据包。每个数据包都包含一个标头和数据包正文，标头是一个带有源地址和目标地址的 ID，正文则是传递的数据。大量数据包可以同时传输。

每个 IP 都有一个或多个称为套接字的接口。网络接口单元（NIU）将 IP 套接字连接到 NoC，并对数据进行序列化和分组，同时满足每个 IP 的数据宽度和时钟频率要求。

开发人员通常将IP设想为在硅芯片表面上具有方形或矩形的封装。许多开发人员并没有认识到NoC是一个IP，尽管它跨越了整个芯片。

自己开发还是购买现成的？

SoC 开发人员必须决定是内部实现 NoC 更好还是从第三方供应商处获取它更好。对于许多团队来说，这不是问题，因为他们缺乏从头开始开发全功能NoC所需的时间、资源和技能。

创建适合现代 SoC 的 NoC 很可能需要六名工程师工作两年。然后是同时调试NoC和其余设计的问题。降低风险并加快上市时间（相当于货币化时间）的唯一现实解决方案是采用来自可信赖供应商的经过验证的现成 NoC。

技术优势

实现 NoC 需要的不仅仅是将 NIU 连接到 IP 套接字，并确定所有交换机的位置，以及所有缓冲区的大小和位置。由于NoC跨越整个芯片，因此有必要为物理布局团队和工具引入流水线寄存器（pipeline stages ），以满足SoC的性能和时序规范。

设计涉及迭代。在流程的前端设计部分执行迭代比同时涉及前端和后端物理布局要快得多。如果前端设计工程师手动插入这些pipeline stages，并且未能在正确的位置使用足够的pipeline stages，则后端物理实现团队将无法实现其目标，从而导致设计者返回并返工项目。

不幸的是，架构师通常通过过度设计问题并插入过多pipeline stages来解决这个问题。虽然这将有助于物理设计团队满足时序要求，但任何超出需求的pipeline stages都会消耗芯片面积、消耗功率并增加延迟。解决此问题的一种方法是使用具有物理感知的NoC。这意味着，一旦物理布局团队提供了各种IP块的建议位置，这些数据就可以用于自动确定全部pipeline stages的最佳数量和位置。通过加快物理布局过程，实现时序收敛所需的耗时的后端到前端迭代次数显著减少。

图1. FlexNoC 5 物理感知片上网络 IP 可以提高工作效率。

（来源：Arteris, Inc.）

Arteris的FlexNoc 5就是一款这样的物理感知NoC，它不仅具有物理感知还具有其他选项。对于具有数百个IP和1024+ 位宽的连接的极端设计，FlexNoc XL选项提供了大容量网状NoC生成器功能。FlexNoC 5 Advanced Memory选项可用于涉及复杂存储器交错方案和非连续地址位数的架构。此选项使用多通道重新排序缓冲区，避免排序规则块和响应序列化瓶颈，但允许并行内存通道读取。

有些设计被认为是安全关键型的，这意味着失效或故障可能导致人员死亡或重伤，设备或财产损失或严重损坏以及环境危害。在这种类型的设计中，FlexNoc 5结构IP可以通过FlexNoC弹性选项进行补充。FlexNoC弹性选项软件包可帮助设计人员实现符合汽车 ISO 26262 和 IEC 61508 标准所需的功能安全特性。它还提供硬件可靠性，以增强企业级 SSD 耐用性。

总结

管理复杂 SoC 设计的唯一方法是使用 NoC。与其花费数年时间和消耗设计资源在内部开发 NoC，不如通过使用值得信赖且可靠的事实上的行业标准现成的NoC（比如 Arteris 的 FlexNoC 5）来节省时间、降低风险并加快上市时间。

Andy Nightingale是一位经验丰富的全球商业领导者，在工程和产品营销方面拥有多元化的背景。他是英国计算机协会和营销学会的特许会员，在高科技行业拥有超过35年的经验。在他的整个职业生涯中，Andy 担任过一系列职务，包括在 Arm 担任工程和产品管理职位，他在那里工作了 23 年。Andy 目前担任 Arteris 产品营销副总裁，负责监督 Magillem SoC部署工具以及 FlexNoC 和 Ncore NoC产品。在此之前，他曾在 Arm 领导一个产品营销团队，专注于系统 IP 产品，包括网络互连、存储器和中断控制器，以及系统 MMU。