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英特尔和脸书都看好的NoC神奇在哪?

2019-04-05 09:51

"Facebook已收购片上网络(NOC)技术和服务供应商Sonics Inc,这再次表明诸如Facebook等硅谷巨头正寻求掌握自有的SoCs.Facebook正在快速开发新的VR和AR产品,而深化在硅片方面的技术能力是十年路线图的重要一步,这种互连技术对于高性能SoC至关重要。ARM拥有自己的片上网络技术,并刚刚为新的Neoverse内核进行了更新。片上网络(network-on-chip, NoC)是系统级芯片(SoC)内一种基于网络的通信互联模块,相当于联接CPU内核、存储单元和各种功能模块的高速总线,可实现各功能模块间的高速、高效、低延迟和低功耗的数据通信。本来这一技术的市场需求目前还较小,Arteris、NetSpeed和Sonics当数前三大供应商。"

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NoC和SoC的区别

SoC:System on Chip,中文称为片上系统,主要是针对ASIC或者chip来讲的。在ASIC设计的早期,由于制造工艺和性能等的约束,大部分芯片都单纯地实现某个特定功能,如处理器内核、总线、内存控制器、蓝牙等都由各自独立的芯片分别实现,处理器之间的通信也以多颗芯片互连的方式实现。

随着制造工艺的提升,以及设计能力的增强,单颗ASIC的功能越来越全面和强大,在一颗芯片内完全可以实现诸如处理器内核、总线、内存控制器、蓝牙等所有的功能。同时,ASIC规模增大导致设计愈来愈复杂,因此,以IP核互连为核心的设计方法学应用而生。

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这样,就出现了在一颗芯片里集成了大量的处理器内核、总线、控制器等IP,而处理器内核数量也由曾经的单核增大到多核、众核。在这种情况下,设计方法学完全不同于以往ASIC的设计方法学,因此,诞生了SoC的概念,以和ASIC进行区别。不严格地说,一颗SoC可以实现以前多颗ASIC构成的系统。

NoC:Network on Chip,中文称之为片上网络。随着SoC技术的发展,芯片内部的IP核越来越多,有可能在一颗芯片中集成了数以百记的处理器内核(包括同构处理器内核和异构处理器内核)、数以千计控制器IP核等等,那么这种情况下IP核之间的互联就成为SoC性能一个重要组成部分。

而NoC技术的诞生就是为了能够让IP核之间的通信能够实现高效、高吞吐量、低功耗的目的。因此NoC技术主要研究对象就是各种互连方法、互连结构,以及IP核互联网络中路由算法。NoC技术目前还处于学术研究阶段,大部分学术论文里都是仿真结果,工业界也有应用实例,但是比较少。

NoC基本特点及优势

NoC 能够跨越同步和异步时钟域或者使用不受时间约束的异步逻辑。NoC 将网络原理和方法用于芯片的通讯上,并给传统的总线交互带来了便利。NoC 相比于其它设计来说提高了系统芯片的可扩展性及复杂系统芯片的功率。

NoC 的电线的链接中有许多共享的信号。因为NoC 上所有链接都可以同时传送不同的数据包,从而达到很高的并行水平。因此,随着集成系统的复杂性不断增加,NoC 相比之前的通信架构(如专用的点对点信号线、共享总线、用网桥连接的分段总线等)提供了更强的性能(如吞吐量)和可扩展性。当然,一个好的算法必须设计以提供大量的并行性和也能更好地利用片上网络的潜力。

传统上,集成电路在专用点对点连接上设计的是每一个信号用一条线路来传递。对于大型设计来说,特别是从物理设计的角度来说,这已经有较多的限制因素了,导线会占用不少的芯片面积。在纳米级的Cmos 技术中,导线主宰着性能和动态功率损耗,因为在芯片之间进行电线上的信号传输需要多个时钟周期。

NoC 链路的速度、功耗、噪声、可靠性等性能均可预测,可以利用预测值设计易于控制的结构从而减少设计的复杂度。从系统设计的角度,随着多核处理器系统的出现,网络是一个自然而然的架构选择。片上网络提供了计算和通信的隔离,通过一个标准接口支持模块化和IP 复用,处理同步问题,为系统测试提供平台服务,并因此提高工程效率。

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芯片设计IP正迅猛发展

据IPnest的统计,2007-2017年全球芯片设计IP市场的年复合增长率(CAGR)为13.7%,而同期EDA市场的CAGR仅1.87%,跟整体半导体行业增长基本保持一致。IP的年增长平均比半导体行业高出10%,预期未来10年这一趋势会持续,到2028年IP市场规模将超过EDA。

2018年全球芯片设计IP市场约为50亿美元,其中以Arm为首的处理器IP类型就占据了60%。处理器IP类型包括CPU、GPU、DSP、NoC和高速接口等IP,其中NoC和互联IP 供应商有Arteris、NetSpeed和Sonics。NetSpeed被英特尔收购,Sonics现在又被Facebook纳入旗下,Arteris成了片上网络(NoC)互联IP市场唯一的IP供应商。

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Arteris如何成为唯一的IP供应商

Arteris IP 的FlexNoC和Ncore缓存一致性互连解决方案在复杂异构多核系统级芯片(SoC)架构的开发、设计和实现中起着至关重要的作用。在今天领先的设计中Arteris IP是特别重要的,这些设计纳入了先进的技术,例如通过硬件加速器纳入了机器学习和神经网络。

之所以选择Arteris的片上互连IP,是因为:

①可以在硬件加速器之间做到高带宽和低延迟通信,进行自定义算法处理,其中使用端到端的服务质量(QoS)机制,包括先进的内存和数据流技术。这些能力促成了下一代先进的“单片超级计算机”,用于人工智能和自主驾驶。

②提高系统功能安全性和可靠性,具有完整的报告和数据保护功能。这些特征被整合到互连技术中,实现片上错误代码校正(ECC)、硬件冗余、内置自测试(BIST)技术和安全控制器。这样。自主驾驶和先进的驾驶辅助系统(ADAS)单片超级计算机可以更容易地达到ISO 26262功能安全规范的要求。

③通过实现先进的时钟门控和电源管理,做到低功耗。使用Arteris IP互连降低了包含量多个处理元件的芯片的功耗,从而轻而易举地解决了汽车和移动设备中最先进的系统级芯片(SoC)的部署问题。

结尾

互联网巨头和系统厂商自己开发芯片似乎已成流行趋势,但社交网络Facebook收购一家名不见经传的小型IP公司还是有点令人吃惊。对于IC设计初创公司来说,能够在NoC互联IP这一芯片设计高地站住脚就已不易了,无论被收购还是独立发展,初创团队都会有充分发挥技术创新的空间。

NoC技术英特尔Facebook片上网络技术

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