包含一百萬個晶體管的片上系統(SoC)在不遠的過去被認為是大型器件。如今，SoC 通常包含多達十億個晶體管。例如，考慮最近的案例研究 SiMa.ai 以及其名為MLSoC的新機器學習(ML)芯片;它在嵌入式邊緣提供輕松的機器學習。

　　該MLSoC在16納米技術節點上創建，由數十億個晶體管組成。與當今 SoC 設計中幾乎總是如此一樣，MLSoC 由現成的第三方知識產權 (IP) 模塊與內部開發的機器學習加速器 (MLA) IP 的復雜組合組成。

　　圖1 MLSoC 芯片將主機處理器和 ML 加速器功能結合在一個設備中。源： SiMa.ai

　　第三方 IP 是眾所周知的標準功能，例如處理器和通信內核(以太網、USB、I2C 和 SPI)以及外圍設備，這種過程不值得花時間和精力在內部開發。將該SoC與其競爭對手區分開來的“秘密武器”是MLA，它提供每秒50萬億次操作(TOPS)，同時消耗微不足道的5瓦功率。

　　組合來自不同供應商的數百個 IP 的一個問題是，SoC 行業已經定義和采用了多個互連協議(OCP、APB、AHB、AXI、STBus 和 DTL)，并且每個 IP 可能使用不同的協議。此外，每個 IP 可能支持不同的數據寬度，并以單獨的時鐘頻率運行。可以想象，讓這些 IP 相互通信可能會令人生畏。

　　輸入編號

　　連接數百個不同 IP 的最佳解決方案是采用片上網絡 (NoC)。NoC 使用緩沖區和交換機在發起方和目標 IP 塊之間傳遞數據包。每個數據包都包含一個標頭，其中包括一個包含源地址和目標地址的 ID，以及一個包含數據的正文。可以同時運行大量數據包。

　　每個 IP 都有一個或多個稱為套接字的接口。網絡接口單元 (NIU) 將 IP 套接字連接到 NoC，并對數據進行序列化和分組，同時滿足每個 IP 的數據寬度和時鐘頻率要求。

　　開發人員通常將IP設想為在硅芯片表面上具有方形或矩形封裝。許多開發人員沒有認識到NoC是一個IP，盡管它跨越了整個芯片。

　　自產還是現成?

　　SoC 開發人員必須決定是內部實施 NoC 更好還是從第三方供應商處獲取它更好。對于許多團隊來說，這不是問題，因為他們缺乏從頭開始開發全功能NoC所需的時間，資源和技能。

　　創建適合現代 SoC 的 NoC 很容易需要六名工程師工作兩年。然后是同時調試NoC和其余設計的問題。降低風險、加快上市時間并等同于貨幣化時間的唯一現實解決方案是采用來自受信任供應商的經過驗證的現成 NoC。

　　技術優勢

　　實施 NoC 需要的不僅僅是將 NIU 連接到 IP 套接字并確定任何交換機的位置以及任何緩沖區的大小和位置。由于NoC跨越整個芯片，因此有必要為物理布局團隊和工具引入流水線級(寄存器)，以滿足SoC的性能和時序規范。

　　設計涉及迭代。在流程的前端設計部分執行迭代比同時涉及前端和后端物理布局要快得多。如果前端設計工程師手動插入這些流水線階段，并且未能在正確的位置使用足夠的管道，則后端物理實現團隊將無法實現其目標，從而導致設計者返回并返工項目。

　　不幸的是，架構師通常通過過度設計問題并插入太多管道階段來解決這個問題。盡管這將有助于物理設計團隊滿足時序要求，但任何超出需求的管道階段都會消耗芯片面積、消耗功耗并增加延遲。

　　解決此問題的一種方法是使用物理感知的NoC。這意味著，一旦物理布局團隊提供了各種IP塊的建議位置，這些數據就可以用于自動確定任何管道階段的最佳數量和位置。通過加快物理布局過程，實現時序收斂所需的耗時后端到前端迭代次數顯著減少。

　　一個這樣的 NoC 是 彈性諾克 5，具有物理意識并具有其他選項。對于具有數百個IP和1024+位寬連接的極端設計，FlexNoc XL選項提供了大容量網狀NoC發生器功能。FlexNoC 5 高級存儲器選項可用于涉及復雜存儲器交錯方案和非連續地址位的架構。此選項使用多通道重新排序緩沖區，避免排序規則塊和響應序列化瓶頸，但允許并發內存通道讀取。

　　圖2 物理感知的片上網絡 IP 可提高工作效率。源： 動脈

　　一些設計被認為是安全關鍵的，這意味著故障或故障可能導致人員死亡或重傷，設備或財產損失或嚴重損壞，以及環境危害。在這種類型的設計中，FlexNoc 5結構IP可以通過FlexNoC彈性選項進行補充。該封裝可幫助設計人員實現符合汽車 ISO 26262 和 IEC 61508 標準所需的功能安全特性。它還提供硬件可靠性，以增強企業級 SSD 耐用性。

　　為什么選擇現成的 NoC IP

　　管理復雜 SoC 設計的唯一方法是使用 NoC。與其花費數年時間和消耗工程資源在內部開發 NoC，不如通過使用值得信賴且可靠的現成 NoC 來節省時間、降低風險并加快上市時間。

　　安迪·南丁格爾， Arteris產品營銷副總裁在高科技行業擁有超過35年的經驗，其中包括在Arm擔任各種工程和產品管理職位的23年。