最近汇聚在法国一个小镇Margaux的系统级芯片(SoC)专家表示,现在办公室的计算机网络可能成为下一代IC设计的模型。
在多处理器SoC(MPSoC)会议上,网络级芯片(networks-on-chip,NoC)的概念引起人们浓厚兴趣。会议的主要演讲者包括法国新创公司Arteris SA和Sonics,前者声称推出了业界第一款商用NoC工具,后者则表示其1999年推出的“智能互连”事实上就是NoC概念。
此次会议没能对NoC本身形成一个共同的定义,而且与会专家对未来能否形成一致意见也普遍持怀疑态度。不过,他们至少在一个方面达成了清晰的共识,即片上互连是一个瓶颈。简单的点到点总线已经不能满足复杂SoC上处理器、存储器和各种IP模块所需的带宽要求。
NoC概念采用基于包的方法和分层方法(例如事务处理层、传输层和物理层)来替代原先的固定总线。它将诸如服务质量(QoS)这样的联网概念带到了芯片级,QoS包括能够预测包延时和包到达的能力。
“与为每个连接都分配一条专用连线不同,我们基于一个三层包网络重复利用连线资源。” Arteris公司新任首席执行官Charles Janac表示,“我们正计划在同一条线上实现包传递。”他曾在今年三月将其NoC工具描述为一个可配置IP。
NoC的支持者认为,其潜在的优势包括大幅提高的数据传输速率、更大的灵活性和更容易的IP复用。
图1:交换架构控制的网
络接口单元采用分层传输技术连
接IP模块。
Arteris公司首席技术官Alain Fanet表示,其NoC工具可以解决IP复用的问题,因为它能很容易地实现采用不同总线格式的IP的连接。此外,它的可重配置性能消除了硅芯片设计返工的风险。有些MPSoC开发者担心NoC可能会增加功耗和面积,Fanet对此回应道,裸片尺寸实际上会更小,因为传统总线、FIFO和中继器是占据芯片空间的主要元件。
Arteris和意法半导体公司(ST)都将NoC定义为一个灵活的、可扩展的和基于包的片上网络。但Sonics的首席技术官Drew Wingard则有一个更简单的NoC定义,即NoC就是“在片上通信中应用网络技术”的芯片。
他表示,新近发布的SonicsMX产品就是一款NoC,它利用了基于套接字(socket-based)的设计、优化的交换结构协议和包括QoS、电源管理和安全在内的更高级服务。不过,它的“包”实际上只是一些单字,而且SonicMX没有采用Arteris的全局异步/本地同步(GALS)技术和许多最新研究成果。
“许多人已经提议将NoC作为芯片互连的解决方案。”马萨诸塞州大学电气与计算机工程副教授Wayne Burleson指出,“这是向正确方向迈出的重要一步,但仍有许多设计决策有待确定。”它们包括内核间隔尺寸、总线宽度、网络拓扑、以及应该异步或同步的地方。
全局和片上联网
德国Karlsruhe大学远程信息学院教授Martina Zitterbart指出,许多概念都可以应用到NoC,包括包交换、灵活性、鲁棒性、安全性和QoS。她认为,尽管不需要人为干预的“零接触”全局网络是目标,但对于没有网络管理员的片上网络而言,零接触是必须做到的。
ST已经开发出一种名为STNoC的技术,该技术能够支持任何拓扑结构,并且可由一个内部工具自动生成,ST的研究实验室负责人Marcello Coppola表示。
“我们当然愿意使用NoC。”Coppola的同事、ST的SoC平台自动化技术总监Pierre Paulin说道。
飞利浦研究实验室的首席科学家Kees Goossens目前正在从事NoC的研究,他最关注存储器。“你能够到处移动数据,但你准备把数据存在哪里呢？”他问道。至于存储器的分层结构,Goossens认为,NoC可与包含流的架构很好地配合工作,并与其它架构竞争。
瑞士洛桑联邦工学院教授Giovanni de Micheli提供了一些来自xpipes的测试基准,xpipes是意大利博洛尼亚大学和史坦福大学共同开发的一种可综合的NoC基础架构。与AMBA AHB多层总线相比,在严重的系统竞争情况下,xpipes能节省高达21%的执行时间,尽管它的时延会稍微变得更差。“你能够借助NoC实现重大的性能,但面积和功耗开销仍很可观。”de Micheli介绍道。
德国凯泽斯劳腾(Kaiserslautern)大学教授Norbert When则提出了另外一种学术测试基准,并比较了固定互连和NoC技术在低密度奇偶校验解码器方面的性能。结果显示,NoC的运行速度可达到500MHz,而固定总线只有64MHz,而且NoC更加灵活。
但坏消息是:NoC的功耗近30W,而固定总线只有700mW,并且NoC的裸片尺寸是固定总线的2倍。根据对性能和面积的折衷考虑,Wehn认为目前NoC很难找到合适的应用。
不过,其商用化努力据称做得不错。Arteris表示,实际上,NoC技术可以节省裸片尺寸,而且功耗也不会比传统总线结构更高。
与此同时,目前已进入移动手机应用的SonicsMX拥有成熟的电源管理功能。事实上,Sonics也声称,电源效率是SonicMX的一大特色。
产品上市
SonicsMX是在去年推出的,目前的公开用户有德州仪器和东芝公司,而且Wingard透露,基于SonicsMX的产品已经出带。Arteris的NoC设计工具套件目前正处于评估阶段。
Arteris的可配置IP主要通过以下二种产品提供给用户,一个是用于设计网络拓扑的NoC Explorer,另一个是NoC Compiler,它可获取拓扑结构并产生SystemC仿真模型和可综合RTL。
该技术包括三个层:一个可提供可重配置IP接口的事务处理层；一个确保灵活性和传输线效率的包传输层；以及一个基于GALS的物理层。Arteris声称最大吞吐量超过750MHz,而总线吞吐量只有250MHz。“我们的产品效率要比目前的总线技术高3到4倍。”Fanet强调。
另外,该技术具有网络接口单元,它可以将IP引入到由交换架构控制的本地同步“集群”。全局网络是异步的。Janac指出,采用这样的策略是因为,完全同步系统会创造出很长的走线,而完全异步的系统又难以实现。
与此同时,SonicsMX的创建是基于Sonics公司在1999年连同SiliconBackplance同时发布的智能互连概念。SiliconBackplane是一个采用分布式共享总线的分层系统。而SonicsMX则增加了Crossbar交换机制、独立请求和响应网络,并具有更高的吞吐量。目前在90nm节点可达到200MHz,而且还有上升的潜力,Wingard表示。
SonicsMX提供封包功能,Wingard接着说,尽管包的尺寸一般只有一个字,但更大的包必须使用更大的缓存。这种方法支持异步边界,而其它部分是同步的。GALS则要求对EDA工具进行定制设计或改进,Wingard指出。
那么SonicsMX是如何成为NoC的呢？据Wingard介绍,SonicsMX采用链接互连与IP的“智能代理单元”及其提供的高级服务,其中包括电源管理、安全性、以及保证的QoS。电源管理功能可以关闭芯片中不工作的部分,而且能支持多个电压岛。安全管理器可检查访问企图、标志干扰和传输安全识别。
Wingard认为,Arteris的方法缺少上述这些电源管理、安全和QoS功能,因此是个“空架子”。他表示,在以存储器为主的系统中,Arteris公司宣称的高吞吐量能否保持还有待确认。
Janac承认,Sonics产品具有更多的电源管理特性,而Arteris产品只支持QoS功能。但他争辩道,Arteris的方法速度更快、可配置性更强,而且独立于源自Sonics的OCP协议,尽管Arteris也支持该协议。
由于Arteris主攻联网应用,而Sonics主攻移动手机应用,因此这两家公司的目标市场是不同的。“目前我们不存在真正的竞争,以后或许会有。”Janac说道,“但那是正常的,因为一个健康的市场至少需要两个玩家。”
对于这一新兴的市场,飞利浦公司Goossens的看法比较实际。他说:“NoC并不是万能的,它只是系统设计师工具箱中的另一个工具而已。你不能指望通过生成几个IP并将它们连接到一个‘魔术箱’中,就可以做成任何事情。”
作者:葛立伟
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