片上網絡的設計是大型高性能計算片上系統成功的關鍵

由于芯片每秒需要處理的計算越來越多，其設計變得越來越復雜，與此同時，確保芯片中大量數據的及時傳輸也面臨著重大挑戰。Sondrel 解釋說，設計者通常會忽略至關重要的數據流方面，因為負責這一任務的片上網絡 (NoC) 設計十分復雜，并且由于存在許多極端情況，所以難以驗證性能需求是否在所有情況下都得以滿足。這就導致片上網絡只能傳輸次優數據，且片上系統 (SoC) 難以實現。

 

Sondrel 工程總監 Ben Fletcher 解釋說：“片上網絡的性能必須與片上系統的計算部分匹配。片上網絡的作用是以足夠快的速度提供輸入數據，保持芯片上的計算 IP 以最大容量運行，并存儲輸出數據，從而防止系統阻塞。我們使用 Arteris? FlexNoC? IP 作為片上系統的片上網絡通信骨干技術，它使我們能夠在更短的時間內設計出更復雜的芯片。”

為什么選擇 FlexNoc?

他發現使用 FlexNoC 互連技術帶來諸多優勢。第一個優勢便是面積和芯線數的減少。這一優勢通過利用傳輸層的封包和序列化能力實現，片上網絡設計師因此能夠在不縮減性能的前提下精確控制片上網絡中可以減少芯線數和面積的部分。第二個優勢是降低功耗。通過配置跨時鐘域和門控時鐘支持等電源管理功能可以將功耗控制在指定預算范圍內。第三個優勢是物理意識設計的實現。由于片上網絡設計方法從設計初便將片上系統的平面布局和任何物理設計限制考慮在內，因此設計團隊能夠向后端團隊交付一個保證滿足時序要求的網表。第四個優勢是 FlexNoc 先進的配置工具和優秀的 UI。FlexNoc 所提供的用于生成性能良好、時序清晰互連的工具套件簡單易學，對片上網絡設計者而言非常容易上手，從而能夠提高生產率。

片上網絡有什么作用？

片上網絡會與片上系統中幾乎所有部分互連，與芯片的平面布局、架構、功能需求、啟動、安全、安防等方面有著內在聯系。Ben Fletcher 提醒道：“這意味著在項目整個生命周期，平面布局很可能會出現變化，因此需要對片上網絡作出更改。相應更改又會影響平面布局，形成反饋回路，從而造成延遲和成本超支。”“憑借多年設計大型復雜片上系統的經驗，我們開發了許多使我們能夠在項目初期進行性能探索和驗證的技術。通過盡早明確需求并快速驗證片上網絡的變更是否滿足相應需求，我們能夠明確平面布局和片上網絡設計，減少不必要的設計更改，從而降低風險和額外成本。”

 

平面布局中左側藍色區域和右側藍色區域的片上網絡示例

圖例右側功能框圖上的片上網絡看似簡單——只是有著很多連接部分，然而，左側的平面布局顯示，為實現高時鐘速度和在芯片中傳輸大量數據，它占據了相當大的區域，且布局復雜，同時與 IP 功能區塊分散的物理位置相連接，這也是使時序收斂變得困難的地方。

平面布局優先還是片上網絡優先？

通常情況下，設計者首先會從平面布局或片上網絡開始芯片設計過程，這便會導致前面提到的反饋回路。Sondrel 的方法通過在設計階段一開始進行性能探索來避免這種情況發生，通過明確性能需求來確定和測試架構，減少更改概率，并相應明確平面布局和片上網絡的設計。性能探索解決了只單獨驗證 IP 功能區塊的典型問題。這種驗證方式未能將 IP 功能區塊間的交互作用考慮在內。芯片上的 IP 功能區塊越多，就越難以理解它們之間的所有依賴關系，而這些依賴關系可能對芯片性能有著關鍵影響。例如，主/從接口可能不匹配、共享內存沖突、時鐘偏移等。

 

完成性能探索并確定性能需求后，便有了配置片上網絡的充足信息。我們需要一種方法來根據這些需求測試生成的 RTL，以確定需求滿足程度，然后實施快速迭代以達到所需的性能水平。為此，Sondrel 開發了一個名為“性能驗證環境”的專有測試平臺。該平臺使用可合成的 RTL 而非近似模型，且處理器和子系統替換為 Python 代碼中定義的處理器。這就使得內存映射的總線通信量在 Python 中生成并通過片上網絡驅動，從而能夠快速掌握當前的設計進展情況以及所作更改對數據通信量的優化情況。

 

這些快速迭代使我們能夠快速探索片上網絡配置，找到合適的解決方案，并應用到平面布局設計過程中，以便隨后協同優化片上網絡和平面布局。這樣能夠更快地實現穩定狀態，從而降低項目風險。

芯片規格可能會隨市場需求變化，而這一建模過程可以整體進行更新，無需從頭開始，因此能夠通過循證數據了解修改后的芯片設計是否滿足新的需求。