原创 利用 NoC 加速衍生 SoC 设计

利用 NoC 加速衍生 SoC 设计

作者：Andy Nightingale, Arteris 产品管理和营销副总裁

Andy Nightingale 是 Arteris 的产品管理和营销副总裁，负责监督 Magillem 片上系统部署工具以及 FlexNoC 和 Ncore 片上网络产品。Andy 的背景包括在 Arm 工作 23 年，在工程和产品管理方面担任过各种职务。他是英国计算机学会和英国特许营销学会的特许会员。在担任现职之前，他曾在 Arm 领导一个产品营销团队，专注于系统 IP 产品，例如网络互连、内存和中断控制器，以及系统 MMU。

片上系统（SoC）器件是作为知识产权（IP）功能块的集合而创建的。这些IP块中的大多数是从可信的供应商处获得的现成的、经过验证的 IP。有一些IP是作为秘密武器在内部开发的，它们可以将该 SoC 与竞争对手区分开来。连接各种 IP 的常用方法是采用 SoC 行业定义和采用的多种接口协议之一，例如 OCP、APB、AHB、AXI、STBus 或 DTL。

在开发新的 SoC 时，设计重点通常放在工具、架构和流程上。相反，从现有的SoC 来创建衍生的设计时，也需要同等的关注，但通常却很少被人们考虑和讨论。

从非常高度抽象的层面上来看，SoC 设计过程可以被视为具有两个主要方面：前端逻辑设计和后端物理设计。物理设计部分是计算密集型的。从需要修改的物理设计到逻辑设计的任何迭代都是非常耗时的。此外，解决一个问题可能会引入其他问题，应该尽可能避免。

以一个现有 SoC 的设计为例，其中需要用新升级的 IP快速有效地替换部分原始功能，同时尽量减少对现有芯片的干扰。更具体地说，大多数 SoC 的物理设计必须保持不变。理想的情况是取出旧IP，放入新IP，只在新IP上实现物理设计过程。不幸的是，我们并不是生活在一个理想的世界里。

在实际应用中，SoC 可能包含数百个 IP。为了举例方便，让我们考虑一个仅包含三个 IP 的 SoC，如图 1a 所示。在此示例中，所有 IP 都配备了一个或两个 AXI 端口（尽管实际 IP 可能具有更多端口），并且 IP 之间的所有片上通信均使用 AXI 总线实现。

图 1. 创建衍生 SoC 并不像看起来那么容易。

（图片由Arteris提供）

现在，假设我们希望将具有两个 AXI 端口的原始版本 IP #3 替换为具有三个 AXI 端口的新版本，如图 1b 所示。请记住，我们希望尽可能减少对当前的物理设计造成干扰，包括与 AXI 总线本身的任何连接，该总线带宽达 1,024 位，并且有大量电线。那么，我们将如何把新 IP 连接到现有的 SoC 中呢？

一个真实的例子

一家名为Inuitive 的公司在现实世界中，在他们的集成了众多功能的单芯片视觉SoC中，遇到了完全相同的问题。这些极其复杂的视觉 SoC 结合了人工智能（AI）、深度学习、3D 成像和计算机视觉，所有这些都结合在一起，以使智能设备、产品和系统更快、更智能。

除了具有增强的高质量深度传感多核视觉处理以外，他们的单芯片视觉SoC还提供基于 AI 的目标检测和识别，以及在高性能硬件而非软件中实现的最先进的同步定位与建图（SLAM）。此外，他们的视觉SoC还可以实时同步来自多个传感器的输入并为其添加时间戳，充当智能传感器中枢。

NU4000 于 2022 年推出，是 Inuitive 单芯片视觉SoC家族的第一款成员，是 3D 成像和智能传感器中枢市场中最先进、最优化的单芯片视觉SoC。该SoC配备了三个强大的 CPU 内核，提供超过 13,000 个 CoreMark 和三个矢量内核，每秒提供 500 GB 的运算。此外，NU4000 拥有专用的卷积神经网络引擎，每秒提供 2+ tera 运算。还有一个SLAM引擎，可以同时从两个摄像头以每秒120帧的速度进行高精度的关键点提取，还有一个先进的时间扭曲引擎，可以将运动到光子的延迟降低到接近1毫秒，适用于极端虚拟现实和混合现实用例。

目前，在人工智能、增强现实和计算机视觉领域，一年相当于一生。为了满足尖端客户快速发展的需求，Inuitive 的团队决定创建一款名为 NU4100 的衍生单芯片视觉SoC。其中涉及到用高质量的双图像信号处理器取代 NU4000中的三个矢量内核之一。

由于 NU4000 和 NU4100 均采用相同的 12纳米台积电工艺技术实现，并且由于团队希望快速将 NU4100 推向市场，因此他们决定尽可能保持现有的物理布局。问题在于如何在不改变逻辑的物理设计的情况下，将具有更多 AXI 端口的新 IP 整合到具有较少的 AXI 端口的现有逻辑中。

为了应对这一挑战，他们选择采用片上网络（NoC）。在大多数情况下，NoC 跨越整个 SoC。然而，在本例中，该团队实施了一个小型的局部版本的NoC ，其唯一目的是将新 IP 连接到现有的 SoC 基础架构中，如图 2 所示。

图2. 使用 NoC 创建衍生 SoC。

（图片由Arteris提供）

所有端口都通过套接字与NoC通信。在典型的 NoC 实现中，这些套接字接受来自 IP 的并行数据，并将其协议转换为将在整个 NoC 中传输的通用数据包化和序列化形式。多个数据包可以同时处于传输状态。当数据包到达其目的地时，与目标相关联的套接字会将其转换回该 IP 支持的协议。

在本案例的情况下，该团队选择了 Arteris 的 FlexNoC interconnect IP 作为他们的解决方案。NoC 仅用于在具有较多 AXI 端口的新 IP 和 AXI 总线之间传输数据，因为 AXI 总线最初为原始 IP 提供的 AXI 端口较少。

尽管使用 NoC 来实现看似简单的接口功能可能看起来有些过分，但俗话说的好 “只要目的正当，可以不择手段”。正如 Inuitive 的创始人兼首席技术官 Dor Zepeniuk 所指出的那样：“使用 FlexNoC能够让我们比自己在内部创建解决方案提前几个月将 NU4100 推向市场。”这一决定的最后结果是令人信服的。要了解更多信息，请访问 Arteris 网站上的创新 NoC 实现显著加快衍生设计（Innovative NoC Implementation Dramatically Speeds Derivative Design）案例研究。