SoC設(shè)計(jì)中什么構(gòu)成了良好的互聯(lián)？

高效互連使復(fù)雜的SoC交付變得更容易，更可預(yù)測(cè)和更低成本。

片上系統(tǒng)（soc）正日益成為一種網(wǎng)絡(luò)，您可以在其中添加單獨(dú)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）模塊。SoC IP模塊包括處理器、內(nèi)存控制器、專(zhuān)用子系統(tǒng)和 I/O——這些模塊可以從互連IP中分離開(kāi)來(lái)，并放入日益復(fù)雜的SoC分區(qū)。在不久的將來(lái)，當(dāng)允許電子系統(tǒng)進(jìn)行決策時(shí)，需要越來(lái)越復(fù)雜的SoC。

互連要處理SoC內(nèi)部各種各樣的通信，是一種高效的IP模塊集成機(jī)制?；ミB是SOC內(nèi)部可配置性最高的IP——通常在一個(gè)項(xiàng)目期間會(huì)多次更改，而且?guī)缀蹩偸窃诓煌?xiàng)目之間變動(dòng)。它在信息安全性和功能安全性方面也扮演著重要的角色，因?yàn)樗休d了SoC的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，并且包含幾乎所有SoC內(nèi)部長(zhǎng)連線(xiàn)和系統(tǒng)級(jí)服務(wù)，包括服務(wù)質(zhì)量（QoS）、可見(jiàn)性、物理感知和電源管理。互連能夠?qū)崿F(xiàn)多處理器SoC緩存一致性，提升高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）汽車(chē)芯片和網(wǎng)絡(luò)SOC的性能與帶寬級(jí)別，而且能夠在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的消費(fèi)類(lèi)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)超低功耗。

互聯(lián)IP必須不斷發(fā)展，以推動(dòng)創(chuàng)新SoC應(yīng)用于新興行業(yè)，如正在興起的人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML） 應(yīng)用，這類(lèi)應(yīng)用正推動(dòng)數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛方面的創(chuàng)新。

隨著工藝尺寸不斷縮小，soc互連變得更加關(guān)鍵。將芯片劃分為可復(fù)用IP的功能電路模塊，或稱(chēng)為“芯粒（chiplet）”，不僅可以提高裸片的良品率，而且能在現(xiàn)今的16納米及以下工藝中增加更多功能。借助Chiplet集成方法，開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)⒍嗉?a target="_blank">公司開(kāi)發(fā)的裸片或具有特定功能（如內(nèi)存和I/O）的芯片集成在單一封裝中。

什么構(gòu)成了良好的互聯(lián)？

互連的大小通常約為整個(gè)SoC的10%，但它會(huì)顯著影響SoC的質(zhì)量、性能和交付進(jìn)度。與SoC總體預(yù)算相比，互連IP的初始許可成本相對(duì)較小，但是“低效”互連可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程、成本和規(guī)范問(wèn)題。例如，如果互連不能在設(shè)定的目標(biāo)性能關(guān)閉時(shí)序，SoC將無(wú)法滿(mǎn)足頻率規(guī)范，這可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。

應(yīng)用于多個(gè)SoC項(xiàng)目的高性能互連IP需要滿(mǎn)足多種標(biāo)準(zhǔn)，包括：

架構(gòu)的靈活性-- 互連必須適應(yīng)各種拓?fù)浼軜?gòu)，以實(shí)現(xiàn)必要的靈活性。例如，互連架構(gòu)必須具備樹(shù)狀結(jié)構(gòu)（最適合于異構(gòu)SoC）以及常規(guī)拓?fù)?，包括網(wǎng)格、環(huán)狀和圓形（AI和網(wǎng)絡(luò)SoC所需要）?；ミBIP也必須能夠“向下擴(kuò)展”以滿(mǎn)足IP子系統(tǒng)和SoC服務(wù)互連等項(xiàng)目的低端互連需求。

例如，僅具有角路由器交換的互連可能適用于高端網(wǎng)絡(luò)，但不適用于移動(dòng)SoC，在移動(dòng)SoC中，功耗、面積和延遲最小化是非常重要的。另一方面，缺乏角落路由器交換不利于交付高端服務(wù)器設(shè)計(jì)或人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)加速器 。同樣，能夠處理非相關(guān)性通信但不支持緩存一致性的互連就會(huì)限制緩存一致性SoC架構(gòu)的選擇。協(xié)議轉(zhuǎn)換功能是指互連可以支持各種IP模塊通信協(xié)議，可以最大化設(shè)計(jì)中所選用的IP模塊。

性能——性能表現(xiàn)可分為三大類(lèi)：

●頻率——如果互連不能達(dá)到目標(biāo)頻率，就會(huì)限制SoC的性能。例如，如果處理器以4 GHz運(yùn)行，而高速緩存一致性互連不能以2 GHz運(yùn)行，則性能將受到限制。然而，并非SoC中的所有路徑都是相同的。擁有多種頻率域和速率自適應(yīng)能力是至關(guān)重要的，這樣各個(gè)路徑可以在不同的頻率下運(yùn)行。畢竟，當(dāng)只有一些路徑需要以指定的最高頻率運(yùn)行時(shí)，為什么要為整個(gè)互連支付高性能路徑的費(fèi)用？

●延遲——延遲由數(shù)據(jù)包從啟動(dòng)程序到目標(biāo)IP模塊所需的周期數(shù)決定。它依賴(lài)于互連IP的效率、到達(dá)目的地的線(xiàn)路長(zhǎng)度以及互連IP功能的物理位置?；ミB物理感知在16nm及以下的制程工藝中至關(guān)重要，因?yàn)楸仨氃赗TL（寄存器傳輸級(jí)別）階段盡早估計(jì)時(shí)序收斂，以避免在布局布線(xiàn)階段中出現(xiàn)問(wèn)題。

延遲和頻率之間需要作一個(gè)權(quán)衡： 如果頻率高，則需要更多管道，這會(huì)增加延遲。對(duì)于延遲敏感的處理器到內(nèi)存路徑，最小化延遲尤其重要。好消息是SoC中對(duì)延遲有苛刻要求的路徑相對(duì)較少，但是請(qǐng)記住，這些路徑上的額外延遲周期通常會(huì)成為系統(tǒng)級(jí)SoC性能的約束。路徑越長(zhǎng)，用于生成路徑的線(xiàn)路越多，則必須添加更多管道來(lái)滿(mǎn)足時(shí)序限制。片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）互連采用分布式交換，通常比采用集中交叉的混合總線(xiàn)模式具有更低的延遲。分布式仲裁進(jìn)一步縮短了交換單元之間的路徑。并非所有網(wǎng)絡(luò)都具有延遲臨界性，所以互連應(yīng)該為高延遲路徑提供靈活性，例如，僅在SoC的初始操作期間使用的I/O IP模塊。在SoC設(shè)計(jì)中，具有高延遲的路徑能力可以節(jié)省連線(xiàn)。

●帶寬/吞吐量——帶寬是給定路徑上數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾?。吞吐量是指?shù)據(jù)沿著互連路徑成功傳輸?shù)牧?。吞吐量可能受到互連體系結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)包協(xié)議的限制。有效互連能夠讓性能盡可能接近理論帶寬的性能;低效互連會(huì)造成瓶頸。一種能夠支持8位低帶寬連接到1024位高帶寬的互連——以及兩者之間的互連寬度——為設(shè)計(jì)人員提供最大靈活性的架構(gòu)。

面積——硅在任何SoC設(shè)計(jì)中都是一個(gè)成本因素。一個(gè)有用的度量標(biāo)準(zhǔn)是，按照16nm制程標(biāo)準(zhǔn)，每顆SoC 中1平方毫米硅的成本通常為10美分。使用更少的電線(xiàn)和柵極以及更高效的互連拓?fù)淇梢怨?jié)約成本。如果面積能減少超過(guò)5平方毫米，產(chǎn)量將提高，并能節(jié)約額外成本。由于面積效率高的互連通常占SoC面積的10%左右，因此，互連面積縮減30-50%，芯片級(jí)SOC就能少用幾平方毫米的硅。粗略地算，一個(gè)面積效率高的互連將在一個(gè)100平方毫米的SoC上節(jié)省大約3-5平方毫米，那么每顆SoC將節(jié)省30-50美分，這具體取決于生產(chǎn)效率。

功率——-在獨(dú)立的消費(fèi)類(lèi)或物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備中，功耗是必不可少的。在主動(dòng)電源模式下，互連IP比CPU和GPU消耗更少的電量，但當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，這些可以快速關(guān)閉。事實(shí)上，對(duì)于大多數(shù)電池供電的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，待機(jī)耗電量是電池壽命的決定因素。在沒(méi)有數(shù)據(jù)通信但時(shí)鐘處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，妥善管理互連功耗對(duì)空閑狀態(tài)的功耗（或待機(jī)功耗）至關(guān)重要。

對(duì)于大部分時(shí)間處于空閑模式的電池供電系統(tǒng)，需要一個(gè)低功耗的互連。這個(gè)互連IP必須通過(guò)三級(jí)時(shí)鐘門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率控制策略，以便輕松創(chuàng)建多個(gè)電源域，在一個(gè)周期內(nèi)啟動(dòng)一個(gè)電源域，并實(shí)現(xiàn)低功率域交叉。對(duì)于16nm的互連功耗來(lái)說(shuō)，一個(gè)合理的度量標(biāo)準(zhǔn)是每百萬(wàn)個(gè)互連邏輯門(mén)的空閑功耗小于0.5mW。

功能安全性——關(guān)鍵性的應(yīng)用必須符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，如汽車(chē)市場(chǎng)上的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。為滿(mǎn)足ISO26262中ASIL（汽車(chē)安全完整性等級(jí)）B、C和D的要求，互連IP實(shí)現(xiàn)要求具有彈性功能，以補(bǔ)償系統(tǒng)級(jí)和隨機(jī)性錯(cuò)誤，達(dá)到所需的故障檢測(cè)和保護(hù)等級(jí)。為了滿(mǎn)足最高級(jí)別的ASIL D ，互連IP需要網(wǎng)絡(luò)接口單元邏輯復(fù)制、ECC（糾錯(cuò)碼）和/或奇偶校驗(yàn)位數(shù)據(jù)路徑保護(hù)以及數(shù)據(jù)包完整性檢查?；ミBIP供應(yīng)商還必須能夠提供功能安全手冊(cè)，以及相應(yīng)的分析和操作資料，以證明互連IP適合在符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中使用。沒(méi)有這樣的文件和操作資料，就很難在最終的電子系統(tǒng)中鑒定半導(dǎo)體元器件。

信息安全性——功能安全可靠性可以保護(hù)soc免受制造和環(huán)境錯(cuò)誤的影響，而信息安全性可以保護(hù)關(guān)鍵性芯片免受人為攻擊。有效的互連必須能夠?qū)崿F(xiàn)防火墻，該防火墻通常由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)配置的。當(dāng)數(shù)據(jù)從SoC的某一區(qū)域傳輸?shù)搅硪粎^(qū)域時(shí)，必須提供區(qū)域隔離功能，以實(shí)現(xiàn)安全性。這些互連硬件特性應(yīng)與整個(gè)系統(tǒng)級(jí)安全方案無(wú)縫集成并增強(qiáng)其安全性。

生產(chǎn)效率——高效的互連工具可加速部署，并提升SoC設(shè)計(jì)進(jìn)程的可預(yù)測(cè)性?；ヂ?lián)IP軟件工具應(yīng)包括：

• 針對(duì)客戶(hù)、市場(chǎng)和設(shè)計(jì)意圖的SoC需求和目標(biāo)輸入。
• 架構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)探索。
• 早期SOC和互連分析的多級(jí)建模功能。
• 針對(duì)各種SoC拓?fù)渖苫ミBRTL。
• 早期時(shí)序收斂估計(jì)的物理感知。
• 自動(dòng)功能驗(yàn)證，以便及時(shí)進(jìn)行NoC驗(yàn)證。
• 片上可觀測(cè)性和調(diào)試以實(shí)現(xiàn)SOC可見(jiàn)性。
• 自動(dòng)FMEDA輸出，符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，可加速功能安全分析。

圖1。片上互連必須滿(mǎn)足各類(lèi)芯片的不同要求。（來(lái)源：Arteris IP）

IP和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）產(chǎn)品的生態(tài)系統(tǒng)意味著支持ARM、Synopsys和Cadence等公司的多種IP協(xié)議。它還意味著與領(lǐng)先和初創(chuàng)EDA供應(yīng)商的仿真、模擬、驗(yàn)證、功能安全、建模以及布局繞線(xiàn)工具的集成。世界級(jí)的互連生產(chǎn)效率軟件以及與其它IP和EDA工具的集成可以降低SoC項(xiàng)目的研發(fā)成本和進(jìn)度時(shí)間。

IP成本計(jì)算

雖然互連IP只占SoC面積的10%，但它可能導(dǎo)致延遲，甚至錯(cuò)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口。最好的情況便是，次優(yōu)級(jí)SoC可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)序問(wèn)題、引發(fā)阻止SoC運(yùn)行的死鎖、造成SoC子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匱乏、帶寬瓶頸，以及功能缺失，這會(huì)增加不可預(yù)見(jiàn)解決方案的研發(fā)費(fèi)用和延遲。因此，高性能和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的互連對(duì)SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目的成功起著至關(guān)重要的作用。

結(jié)論

高效互聯(lián)IP開(kāi)發(fā)需要多年的努力，可能需要花費(fèi)7千萬(wàn)至1億美金。走捷徑會(huì)導(dǎo)致失望，并花費(fèi)大量業(yè)務(wù)成本。為單個(gè)芯片設(shè)計(jì)互連是一個(gè)挑戰(zhàn)，但提供一個(gè)適用于多個(gè)SoC設(shè)計(jì)的廣泛互連解決方案需要資金、規(guī)模和承諾。組建并留住IP團(tuán)隊(duì)可能會(huì)遇到挑戰(zhàn)，他們必須是跨學(xué)科人才（架構(gòu)師、硬件工程師、軟件開(kāi)發(fā)人員和驗(yàn)證工程師），并在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目期間保持多年的合作。

有效的互連使交付復(fù)雜的SoC變得更容易、更可預(yù)測(cè)，同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本。SoC項(xiàng)目總監(jiān)只需要選擇合適的互連。