SoC設(shè)計中什么構(gòu)成了良好的互聯(lián)

1、 soc設(shè)計中什么構(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的知識產(chǎn)權(quán)（ip）模塊。soc ip模塊包括處理器、內(nèi)存控制器、專用子系統(tǒng)和 i/o這些模塊可以從互連ip中分離開來，并放入日益復(fù)雜的soc分區(qū)。在不久的將來，當(dāng)允許電子系統(tǒng)進(jìn)行決策時，需要越來越復(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通常在一個項目期間會多次更改，而且?guī)缀蹩偸窃诓煌椖恐g變動。它在信息安全性和功能安全性方面也扮演著重要的角色，因為它承載了soc的大部分

2、數(shù)據(jù)，并且包含幾乎所有soc內(nèi)部長連線和系統(tǒng)級服務(wù)，包括服務(wù)質(zhì)量（qos）、可見性、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，提升高級駕駛輔助系統(tǒng)（adas）汽車芯片和網(wǎng)絡(luò)soc的性能與帶寬級別，而且能夠在長時間運行的消費類設(shè)備中實現(xiàn)超低功耗?；ヂ?lián)ip必須不斷發(fā)展，以推動創(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，這類應(yīng)用正推動數(shù)據(jù)中心自動化和自動駕駛方面的創(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

3、更多功能。借助chiplet集成方法，開發(fā)人員能夠?qū)⒍嗉夜鹃_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soc的10%，但它會顯著影響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較小，但是“低效”互連可能會導(dǎo)致進(jìn)程、成本和規(guī)范問題。例如，如果互連不能在設(shè)定的目標(biāo)性能關(guān)閉時序，soc將無法滿足頻率規(guī)范，這可能導(dǎo)致設(shè)計失敗。應(yīng)用于多個soc項目的高性能互連ip需要滿足多種標(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)，以實現(xiàn)必要的靈活性。例如，互連架構(gòu)必須具備樹狀結(jié)構(gòu)（最適合于異構(gòu)soc）以及

4、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”以滿足ip子系統(tǒng)和soc服務(wù)互連等項目的低端互連需求。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soc，在移動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)計中所選用的ip模塊。性能性能表現(xiàn)可分為三大類：頻率如果互連不能達(dá)到目標(biāo)頻率，就會限制soc的性能。例如

5、，如果處理器以4 ghz運行，而高速緩存一致性互連不能以2 ghz運行，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，這樣各個路徑可以在不同的頻率下運行。畢竟，當(dāng)只有一些路徑需要以指定的最高頻率運行時，為什么要為整個互連支付高性能路徑的費用？延遲延遲由數(shù)據(jù)包從啟動程序到目標(biāo)ip模塊所需的周期數(shù)決定。它依賴于互連ip的效率、到達(dá)目的地的線路長度以及互連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，因為必須在rtl（寄存器傳輸級別）階段盡早估計時序收斂，以避免在布局布線階段中出現(xiàn)問題。延遲和頻率之間需要作一個權(quán)衡： 如

6、果頻率高，則需要更多管道，這會增加延遲。對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中對延遲有苛刻要求的路徑相對較少，但是請記住，這些路徑上的額外延遲周期通常會成為系統(tǒng)級soc性能的約束。路徑越長，用于生成路徑的線路越多，則必須添加更多管道來滿足時序限制。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)計中，具有高延遲的路徑能力可以節(jié)省連線。帶寬/吞吐量帶寬是給定路

7、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)牧俊Ｍ掏铝靠赡苁艿交ミB體系結(jié)構(gòu)、實現(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)計人員提供最大靈活性的架構(gòu)。面積硅在任何soc設(shè)計中都是一個成本因素。一個有用的度量標(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

8、縮減30-50%，芯片級soc就能少用幾平方毫米的硅。粗略地算，一個面積效率高的互連將在一個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-在獨立的消費類或物聯(lián)網(wǎng)（iot）設(shè)備中，功耗是必不可少的。在主動電源模式下，互連ip比cpu和gpu消耗更少的電量，但當(dāng)任務(wù)完成時，這些可以快速關(guān)閉。事實上，對于大多數(shù)電池供電的系統(tǒng)來說，待機(jī)耗電量是電池壽命的決定因素。在沒有數(shù)據(jù)通信但時鐘處于打開狀態(tài)時，妥善管理互連功耗對空閑狀態(tài)的功耗（或待機(jī)功耗）至關(guān)重要。對于大部分時間處于空閑模式的電池供電系統(tǒng)，需要一個低功耗的互連。這個互連ip必須通過

9、三級時鐘門來實現(xiàn)功率控制策略，以便輕松創(chuàng)建多個電源域，在一個周期內(nèi)啟動一個電源域，并實現(xiàn)低功率域交叉。對于16nm的互連功耗來說，一個合理的度量標(biāo)準(zhǔn)是每百萬個互連邏輯門的空閑功耗小于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)，如汽車市場上的iso 26262標(biāo)準(zhǔn)。為滿足iso26262中asil（汽車安全完整性等級）b、c和d的要求，互連ip實現(xiàn)要求具有彈性功能，以補(bǔ)償系統(tǒng)級和隨機(jī)性錯誤，達(dá)到所需的故障檢測和保護(hù)等級。為了滿足最高級別的asil d ，互連ip需要網(wǎng)絡(luò)接口單元邏輯復(fù)制、ecc（糾錯碼）和/或奇偶校驗位數(shù)據(jù)路徑保護(hù)以及數(shù)據(jù)包完整性檢查。互連ip供應(yīng)商還必須能夠提供功

10、能安全手冊，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)計團(tuán)隊配置的。當(dāng)數(shù)據(jù)從soc的某一區(qū)域傳輸?shù)搅硪粎^(qū)域時，必須提供區(qū)域隔離功能，以實現(xiàn)安全性。這些互連硬件特性應(yīng)與整個系統(tǒng)級安全方案無縫集成并增強(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)計進(jìn)程的可預(yù)測性?；ヂ?lián)ip軟件工具應(yīng)包括： 針對客戶、市場和設(shè)計意圖的soc需求

11、和目標(biāo)輸入。 架構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計探索。 早期soc和互連分析的多級建模功能。 針對各種soc拓?fù)渖苫ミBrtl。 早期時序收斂估計的物理感知。 自動功能驗證，以便及時進(jìn)行noc驗證。 片上可觀測性和調(diào)試以實現(xiàn)soc可見性。 自動fmeda輸出，符合iso 26262標(biāo)準(zhǔn)，可加速功能安全分析。圖1。片上互連必須滿足各類芯片的不同要求。（來源：arteris ip）ip和電子設(shè)計自動化（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、驗證、功能安全、建模以及布局繞線工具的集成。世界級的互連生產(chǎn)效率軟件以及與其它ip和eda工具的集成可以降低soc項目的研發(fā)成本和進(jìn)度時間。ip成本計算雖然互連ip只占soc面積的10%，但它可能導(dǎo)致延遲，甚至錯過系統(tǒng)設(shè)計窗口。最好的情況便是，次優(yōu)級soc可能會導(dǎo)致時序問題、引發(fā)阻止soc運行的死鎖、造成soc子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匱乏、帶寬瓶頸，以及功能缺失，這會增加不可預(yù)見解決方案的研發(fā)費用和延遲。因此，高性能和經(jīng)過驗證的互連對soc設(shè)計項目的成功起著至關(guān)重要的作用。結(jié)論高效互聯(lián)ip開發(fā)需要多年的努力，可能需要花費7千萬至1億美金。走捷徑會導(dǎo)致失望