“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”，這是太陽(yáng)微系統(tǒng)公司的John Gage在1984年提出的理論,，被證明是非常有見(jiàn)地的。如今在SoC領(lǐng)域這個(gè)想法再次出現(xiàn),。在一個(gè)芯片中,，相互通信的功能——不是通過(guò)簡(jiǎn)單的電線(xiàn)，而是通過(guò)如交換機(jī),、協(xié)議轉(zhuǎn)換器,、封裝器等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)元件。這與1984年在一個(gè)機(jī)柜或房間中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的一組計(jì)算機(jī)沒(méi)太大區(qū)別,。
在SoC出現(xiàn)之前,，為了在一塊板子上從A連接到B，工程師們可以通過(guò)一堆電線(xiàn)來(lái)傳輸數(shù)據(jù),。最大的擔(dān)憂(yōu)是管理電線(xiàn)長(zhǎng)度,，并確保A和B使用完全相同的協(xié)議進(jìn)行通信，但僅此而已,。真正的動(dòng)作是在計(jì)算元素中,。在這些珍貴的組件之間連接是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)任務(wù)。
但在過(guò)去的幾十年里,，集成電路制造工藝技術(shù),、封裝與測(cè)試技術(shù)、設(shè)計(jì)方法學(xué)和EDA 工具等微電子相關(guān)技術(shù)始終保持著快速的發(fā)展,。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）預(yù)測(cè),，到2024年每平方毫米集成的晶體管數(shù)目將達(dá)到90 億個(gè)。但是,，全局互連線(xiàn)的性能提升程度明顯低于晶體管性能提升程度,。受到亞閾值漏電流功耗、動(dòng)態(tài)功耗,、器件可靠性以及全局互連線(xiàn)等影響,，通過(guò)提升單個(gè)處理器核的性能來(lái)提升系統(tǒng)整體性能已變得非常難以實(shí)現(xiàn),，同時(shí)芯片設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜度也在進(jìn)一步增加,。這個(gè)時(shí)候SoC就誕生了。SoC具有集成度高,、功耗低,、成本低,、體積小等優(yōu)點(diǎn),，已經(jīng)成為超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流方向。隨著片上系統(tǒng)SoC 的應(yīng)用需求越來(lái)越豐富,、越來(lái)越復(fù)雜，片上多核MPSoC已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì),，同時(shí)MPSoC 上集成的IP核數(shù)量也將會(huì)按照摩爾定律繼續(xù)發(fā)展,。
從電線(xiàn)到主動(dòng)總線(xiàn)邏輯
隨著SoC能力的增長(zhǎng)，將整個(gè)板甚至更大的系統(tǒng)整合到單個(gè)芯片上成為可能,，所有這些都由一個(gè)中央處理單元（CPU）或處理器集群管理,。每個(gè)CPU運(yùn)行軟件來(lái)協(xié)調(diào)系統(tǒng)以處理需要軟件支持的靈活性的功能,。提供處理器的Arm等公司的解決方案迅速興起,，其他供應(yīng)商也在跟進(jìn),，包括CPU以外功能IP供應(yīng)商,。首先，通過(guò)提供外圍IP來(lái)處理許多接口協(xié)議,，然后發(fā)展為用于無(wú)線(xiàn)通信、圖形處理,、音頻,、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能（AI）這些專(zhuān)門(mén)的處理器,。此外,，還包括片上工作存儲(chǔ)器,、緩存存儲(chǔ)器,、到片外或片外DRAM的雙數(shù)據(jù)速率（DDR）接口等,。
而且，還有許多很棒的功能可以集成到高級(jí)SoC中,，但是它們?nèi)绾瓮ㄐ拍?？這里不能通過(guò)直接連接，因?yàn)檎麄€(gè)芯片會(huì)被電線(xiàn)覆蓋,。CPU和內(nèi)存在確定下一步要服務(wù)什么方面會(huì)慢得無(wú)法想象,。相反，“所有的交通都必須通過(guò)高速公路,，并設(shè)有計(jì)量入口匝道,。”如果一個(gè)IP想要與中央處理器通信,，它必須等待輪到它進(jìn)入高速公路,。
現(xiàn)在的Bus總線(xiàn)不再只是一種愚蠢的電線(xiàn)。監(jiān)視正在進(jìn)行的操作和下一步要允許的操作,，二者是有邏輯的,，此外，隊(duì)列支持的數(shù)據(jù)在以不同速度運(yùn)行的域之間流動(dòng),。流水線(xiàn)寄存器幫助跨越很大的距離,，同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)間限制。我們將其稱(chēng)為“總線(xiàn)結(jié)構(gòu)”,，通過(guò)控制邏輯,、多路復(fù)用技術(shù)、寄存器和先入先出的通信順序?qū)⑦B接編織起來(lái),。
總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展
既然有了總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的架構(gòu),，就可以為不同的目的設(shè)想不同的架構(gòu)了。高級(jí)微控制器總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)（AMBA）家族本身就有多種風(fēng)格,，每一種都有自己的優(yōu)勢(shì)和限制。很可能,，在一個(gè)復(fù)雜的SoC中需要幾個(gè),。但是還有另一種非常不同的技術(shù)——芯片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）,，它在概念上非常不同,，NoC并沒(méi)有緊密地耦合互連通信和物理傳輸,，而是開(kāi)辟了新的架構(gòu)選項(xiàng)。
Noc的發(fā)展是以SoC為基礎(chǔ),。SoC通常是指在單一芯片上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，通過(guò)總線(xiàn)完成其中各模塊之間的交互，但隨著半導(dǎo)體工藝和需求的快速發(fā)展,，總線(xiàn)的寬度已經(jīng)成為SoC發(fā)展的瓶頸,，大大限制了SoC內(nèi)部通信的速度,。90年代NoC技術(shù)的提出也是因?yàn)榻梃b了并行計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)的分層思想,，二者的相同點(diǎn)有：支持包交換、路由協(xié)議,、任務(wù)調(diào)度,、可擴(kuò)展等,。NoC更關(guān)注交換電路和緩存器的面積占用，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考量的方面也是這些,。
還有另一個(gè)重要的考慮因素,。典型的SoC現(xiàn)在將圍繞眾多第三方IP和一些集成商具有定制優(yōu)勢(shì)的自有IP構(gòu)建。這其中優(yōu)勢(shì)有多大呢,？競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可以購(gòu)買(mǎi)相同的第三方產(chǎn)品,，這就稀釋了可能的差異化。然后,，挑戰(zhàn)就變成了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)如何有效地集成SoC,。
我們確實(shí)有這樣做的空間。帶寬,、吞吐量,、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、功率,、安全性和成本都由集成方案所決定,。這些因素都受到已實(shí)現(xiàn)的通信架構(gòu)的影響，很可能是一個(gè)NoC,。最終,，使芯片具有競(jìng)爭(zhēng)力的是對(duì)IP和片上通信架構(gòu)的謹(jǐn)慎選擇。