在復(fù)雜的異構(gòu)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)中，片上網(wǎng)絡(luò)互連的發(fā)展對于片上系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步至關(guān)重要。

在復(fù)雜的異構(gòu)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)中，片上網(wǎng)絡(luò)互連的發(fā)展對于片上系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步至關(guān)重要。

計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)完全接受了異構(gòu)計(jì)算的概念——其結(jié)果是片上系統(tǒng) (SoC) 的激增。現(xiàn)在幾乎可以在市場上的所有高性能計(jì)算平臺(tái)中都能找到 SoC。

人們不太經(jīng)常討論但同樣重要的技術(shù)是片上網(wǎng)絡(luò) (NoC)。隨著 SoC繼續(xù)發(fā)展，NoC 的開發(fā)也只會(huì)繼續(xù)增加。最近，總部位于英國的 Sondrel 強(qiáng)調(diào)了 NoC 的重要性，宣布它使用 Arteris 的 FlexNoC IP 作為 Sondrel SoC 的 NoC 主干。他們認(rèn)為NoC 的設(shè)計(jì)是大型高性能計(jì)算 SoC 成功的關(guān)鍵。Sondrel 解釋說，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略此數(shù)據(jù)流方面的重要性，因?yàn)樨?fù)責(zé)此問題的片上網(wǎng)絡(luò) (NoC) 的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，并且很難驗(yàn)證在所有情況下都滿足性能要求，因?yàn)橛泻芏鄻O端案例。這導(dǎo)致 NoC 的次優(yōu)數(shù)據(jù)傳輸和 SoC 無法交付。

本文將討論異構(gòu)計(jì)算的挑戰(zhàn)、對 NoC 的需求以及FlexNoC 的一些細(xì)節(jié)。

SoC 和異構(gòu)計(jì)算的挑戰(zhàn)

SoC 是一種單芯片解決方案，由同一芯片中的幾個(gè)不同計(jì)算和功能塊組成。SoC包含異構(gòu)計(jì)算和硬件加速，其中有專門的計(jì)算塊用于特定的計(jì)算密集型工作負(fù)載。出于這個(gè)原因，我們通常會(huì)看到一個(gè) SoC 由一些更通用的計(jì)算模塊組成，如 CPU 和 GPU，以及許多加速器模塊，如神經(jīng)處理單元 (NPU) 和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)。

用于 SoC 的軟件通常會(huì)抽象功能，以便輕松地對其進(jìn)行編程和連接。SoC 的優(yōu)勢在于它更便宜、更小且更節(jié)能。缺點(diǎn)是，與全尺寸計(jì)算機(jī)不同，它們被鎖定在其配置中。

雖然該方案帶來了更高的性能和效率，但它有幾個(gè)控制和管理問題。在數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中，SoC 面臨著如何控制、組織和管理它們預(yù)期要處理的大量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。從布局規(guī)劃的角度和系統(tǒng)的角度來看，控制進(jìn)出內(nèi)存的數(shù)據(jù)流和不同功能塊的數(shù)量是一個(gè)不小的問題。

什么是 NoC？

為了解決這些與數(shù)據(jù)相關(guān)的問題，幾乎每個(gè) SoC 都依賴于NoC。

NoC 幾乎互連了 SoC 的每個(gè)部分，為數(shù)據(jù)從一個(gè)塊流向另一個(gè)塊創(chuàng)建了一條清晰且定義明確的路徑。通常，NoC 將由多段布線和路由器組成，這些布線和路由器的布置旨在減少寄生效應(yīng)，從而避免在整個(gè)SoC中更大的損失和延遲。這通常采用類似城市布局的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形式。

網(wǎng)狀拓?fù)渲械?NoC。來源：ACM 數(shù)字圖書館

NoC 通過使用網(wǎng)絡(luò)接口 (NI) 模塊控制整個(gè) SoC 中的數(shù)據(jù)流。這些模塊通常用于將處理器內(nèi)核生成的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為固定長度的流量控制數(shù)字。這些數(shù)字允許 NoC 內(nèi)的路由器將數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)到所需的功能塊。

傳統(tǒng)上，NoC 功能可以定義為多個(gè)層之一，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。出于這個(gè)原因，NoC 路由器將需要硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，以便它可以支持給定層的功能。

通常，設(shè)計(jì)人員首先從平面圖或 NoC 開始芯片設(shè)計(jì)。新的方法通過在非常早的階段進(jìn)行性能探索來穩(wěn)定性能要求，從而穩(wěn)定和測試架構(gòu)以減少更改的可能性，從而穩(wěn)定平面圖和 NoC，從而避免了一些意外情況。性能探索解決了 IP 塊通常被單獨(dú)隔離驗(yàn)證的問題。但是，這并沒有考慮到它們與其他 IP 塊的交互。芯片上的 IP 越多，它們之間可能嚴(yán)重影響芯片性能的幾率就可能會(huì)增加。

Sondrel 使用 FlexNoC

2022 年 6 月 22 日，Sondrel 透露，它使用Arteris 的 FlexNoC IP作為其所有 SoC 解決方案的 NoC 主干。

Arteris 解釋說，NoC 互連構(gòu)成了 SoC 架構(gòu)。來源：Arteris

Sondrel認(rèn)為使用 FlexNoC 互連技術(shù)的一些具體好處首先是能夠減少面積和線數(shù)。這是通過利用傳輸層打包和序列化功能來完成的，這樣 NoC 架構(gòu)師可以精確控制 NoC 的哪些部分可以從減少的線路和面積中受益，而不會(huì)影響性能要求。其次，通過使用電源管理功能降低功耗，例如配置時(shí)鐘域交叉和時(shí)鐘門控支持的選項(xiàng)，以確保功耗在功耗預(yù)算范圍內(nèi)。另外的好處就是能夠創(chuàng)建物理感知設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒕W(wǎng)表交給后端團(tuán)隊(duì)，保證滿足時(shí)序要求，因?yàn)?NoC 設(shè)計(jì)方法從一開始就考慮了 SoC 布局規(guī)劃和任何物理設(shè)計(jì)約束該設(shè)計(jì)。最后，F(xiàn)lexNoc 擁有先進(jìn)的配置工具和出色的 UI。為生成高性能、時(shí)序清潔的互連而提供的工具套件直觀且非常容易讓 NoC 架構(gòu)師熟悉，從而提高生產(chǎn)力。

與 Sondrel 一樣，業(yè)內(nèi)許多公司都在競相生產(chǎn)最好的 NoC IP，以生產(chǎn)面積和功耗更低的 SoC，同時(shí)讓 SoC 設(shè)計(jì)更容易實(shí)現(xiàn)。

審核編輯 ：李倩