使用 NoC 可以大大簡化 SoC的開發，但這在很大程度上取決于誰在開發NoC。

作者：Michael Frank and Frank Schirrmeister

除了簡易的產品以外，幾乎所有的現代系統級芯片 (SoC) 設備都將利用片上網絡(NoC) 來實現其片上通信。有些人質疑是否有必要使用 NoC，或者采用更基本的方法是否能足夠滿足需要。

Part.1

SoC中有什么?

SoC 是一種集成電路(IC)，它集成了計算機或其他電子系統的大部分或全部組件。SoC 由稱為知識產權(IP) 模塊的多個功能單元組成。其中有許多模塊將來自第三方供應商；剩下的部分- 那些提供“秘密武器”，將此SoC與競爭產品區分開來 - 將由自己內部開發創建。

這些 IP 模塊可以包括處理器內核，如微處理器單元(MPU)、圖形處理單元(GPU) 和神經處理單元(NPU)。除了各種類型的存儲器 IP 外，其他 IP 模塊還可以執行通信、實用程序、外設和加速功能。

Part.2

總線、Crossbar Switch和NoC

每個 IP 塊都表示在系統內存空間中的某個位置。術語“事務”(transaction) 是指從系統內存空間的地址中寫入或讀取數據字節的操作。為了使SoC發揮其魔力，IP塊需使用事務通過某種形式的互連來相互“交談”。術語“啟動器”(initiator) 和“目標”(target) 是指生成或響應事務的 IP 塊。

1990年代SoC上使用的主要互連機制是總線(bus)。高度簡化的表示如圖 1 所示。請注意，標記為“總線”的線路將包括多條實現數據總線、地址總線和相關控制信號的線路。

圖 1：簡化的總線互連結構

在許多早期的SoC設計中，只有一個中央處理器(CPU) 形式的啟動器IP塊。當啟動器在地址總線上放置一個地址時，所有的目標 IP 塊都會看到它，其中一個會對自己說:“這是我”。當啟動器隨后發出讀取命令時，或者當它將數據放在數據總線上并發出寫命令時，相應的目標將做出響應。

有一些早期的 SoC 可能會使用多個啟動器。例如，CPU 可能附帶直接內存訪問 (DMA)功能，該功能可用于在不同內存區域和外圍設備之間快速傳輸大型數據塊。隨著設計中啟動器數量的增加，有必要實施某種形式的仲裁方案，允許它們協商總線的控制。

在 2000 年代初期，隨著 SoC 設計變得越來越復雜(包含越來越多的 IP 模塊并采用多個啟動器)，使用基于 crossbar switch交叉開關的互連架構變得很普遍(圖2)。同樣，此圖中的每一條線代表一條包含數據、地址和控制信號的多線總線。

在 2000 年代初期，隨著 SoC 設計變得越來越復雜(包含越來越多的 IP 模塊并采用多個啟動器)，使用基于 crossbar switch交叉開關的互連架構變得很普遍(圖2)。同樣，此圖中的每一條線代表一條包含數據、地址和控制信號的多線總線。

圖2: 簡化的crossbar switch互連架構

在這種情況下，任何啟動器都可以與任何目標通信。當事務從啟動器傳遞到目標并再次返回時，switch交叉開關對事務進行路由，并且多個事務可以隨時在“進行中”。每個switch都具有緩沖事務的能力，因此如果許多事務同時到達，它可以決定哪個事務具有更高的優先級。

SoC 設計的規模和復雜性持續增長。大約在 1990 年代初期，SoC 可能只包含幾十個 IP 模塊，整個設備可能只包含 20,000 到 50,000 個邏輯門和寄存器。相比之下，如今，SoC 可以包含數百個 IP 模塊，每個模塊包含數十萬甚至數百萬個邏輯門和寄存器。

在同一時期，數據總線的寬度從8位增加到16位，32位，64位，甚至更高。事實上，目前數據傳輸的典型大小是 64 字節(512 位) 緩存行，這很快就會導致路由擁塞問題。盡管硅芯片工藝的發展已經使晶體管縮小了幾個數量級，但由于芯片上導線的寬度沒有以同樣的速度減小，這些問題變得更加嚴重。

為了解決這些問題，今天的設計人員采用了片上網絡(NoC) 的概念。圖 3 是一個簡單的 NoC 示例。在這種情況下，事務就由傳遞的信息包承擔。每個數據包包含一個反映目標地址的標頭和一個包含數據、指令、請求類型等的正文。

圖3: 簡化的片上網絡（NoC）互連架構

多個信息包可以在任何特定時間“傳輸”，并且switch再次具有緩沖事務并確定事務優先級的能力。由于每個啟動器不需要能夠與每個目標通信，這可以反映在架構中，從而進一步降低了互連要求。

Part.3

使用成品還是“自己動手”?

從一個角度來看，使用 NoC很大程度上簡化了 SoC 的設計，但這在很大程度上取決于誰在開發 NoC。術語“套接字”(socket) 是指IP塊與NoC之間的物理接口(例如，數據寬度) 和通信協議。SoC行業已經定義并采用了幾種socket協議(OCP，APB，AHB，AXI，STBus，DTL等)。

除了不同的數據寬度外，同一設計中的IP模塊可能以不同的頻率計時。由于 SoC 設計可能涉及數百個 IP 塊，其中許多來自其他第三方供應商，因此 IP 可能使用不同的socket協議。為了適應這種多樣性，可能需要在啟動器和目標socket之間轉換事務。

支持多個 SoC 項目的內部 NoC 需要多個維度的可配置性和靈活性。因此，從頭開始開發 NoC 可能與設計 SoC 的其余部分一樣復雜和耗時。此外，開發人員現在有兩件事需要驗證和調試 - NoC和設計的其余部分。

解決措施是使用現成的NoC解決方案，例如 Arteris的FlexNoC。在這種情況下，FlexNoC直觀的界面使設計人員能夠識別構成架構的IP模塊以及每個模塊的socket特性(寬度、協議、頻率等)。開發人員還可以指定哪些啟動器需要與哪些目標通信。此時，生成NoC實際上是一個“按鈕”操作。

Part.4

SoC 到底有多復雜?

回到SoC設計何時需要片上網絡的問題。直覺的答案可能是較小的設計可能被豁免。但是，在最近與Semico Research的Rich Wawrzyniak的討論中，他證實我們已經在客戶那里看到的情況是：即使在工業和物聯網領域的較小設計中，用戶也經常面臨數十到數百個不得不組裝和協調的IP塊。

如圖 4 所示，Semico 定義了四類 SoC。其中三種- 具有100-200個離散模塊和1+互連的基本SoC，具有200-275個模塊和4+復雜互連的特定價值多核SoC，以及具有>275模塊和5+復雜互連的高性能SoC - 是NoC自動化的明確靶心目標。但是除此之外，即使是較簡單的商用控制器，設計人員也要面臨著10到100個需要交互的離散模塊。

對于較小的設計，工程師傾向于“自己做NoC”。但通常情況下，他們很快就會意識到：他們應該打電話給Arteris來利用NoC自動化。

圖4: Semico根據復雜性將SoC分為四類

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結論

在本專欄的開頭，提出了“我的SoC設計何時需要NoC？”的問題。簡單的答案是，當今日益復雜的SoC設計始終需要一個NoC來優化實現出色路由和性能目標。實施前衛的NoC的簡單方法是使用Arteris的FlexNoC 。

關于 Arteris

Arteris是系統IP的先進提供商，包括 片上網絡(NoC) 互連 IP 和 IP 部署技術兩部分，可加速各種電子產品的系統級芯片（SoC）半導體開發和集成。垂直應用包括汽車、移動、消費電子、企業數據中心、5G 通信、工業和物聯網，利用 AI/ML 等技術和功能安全為寶馬、博世、百度、 Mobileye、三星、東芝和恩智浦等客戶提供服務。Arteris IP產品包括FlexNoC互連IP，Ncore緩存一致性IP，CodaCache獨立末級緩存，ISO 26262 安全，人工智能，自動時序收斂和Magillem SoC 組裝自動化。Arteris IP 產品可以幫助客戶提升性能、降低功耗和面積、提高設計復用效率、加快 SoC 開發速度，從而降低開發和生產成本。

審核編輯 ：李倩