在摩爾定律放緩的今天，芯片廠商為了提升處理器性能可謂無(wú)所不及。從最初的增加晶體管數(shù)量，到提升芯片主頻，提升核心數(shù)量，再到推動(dòng)芯片架構(gòu)演進(jìn)……這些努力都為了提升芯片的性能。iWBesmc

就最近幾年來(lái)看，中國(guó)芯片行業(yè)流行起“異構(gòu)計(jì)算”的思路，即針對(duì)不同計(jì)算任務(wù)使用不同架構(gòu)的計(jì)算模塊，從而實(shí)現(xiàn)性能的提升。在異構(gòu)計(jì)算中，在不同的專用計(jì)算模塊中間，需要一個(gè)工具充當(dāng)“橋梁”，來(lái)實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)器、計(jì)算模塊間的互相通信，這個(gè)“橋梁”就是片上互連方式。iWBesmc

近年來(lái)，伴隨異構(gòu)芯片復(fù)雜性陡然增加，一種新的片上互連方式——片上網(wǎng)絡(luò)(Network-on-chip,縮寫NoC)——正嶄露頭角。在最近的ICCAD 2023展上，《國(guó)際電子商情》與傳智驛芯科技(Transchip)首席戰(zhàn)略官時(shí)昕博士，圍繞NoC技術(shù)及IP、片上網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)等話題做了交流。iWBesmc

NoC讓異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)更“簡(jiǎn)單”

當(dāng)前，常見(jiàn)的片上互連方式包括Bus總線、Crossbar，以及NoC。iWBesmc

Bus總線中所有數(shù)據(jù)主從模塊都連接在同一個(gè)互連矩陣上，當(dāng)有多個(gè)模塊同時(shí)需要使用總線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，則采用仲裁的方法來(lái)確定誰(shuí)能使用總線。某一特定時(shí)間，只能有一個(gè)模塊使用總線，因此延時(shí)等指標(biāo)不能滿足很多芯片的互連要求。iWBesmc

Crossbar可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)主從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，且能實(shí)現(xiàn)一個(gè)主設(shè)備對(duì)多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播，但其互連復(fù)雜性與互連模塊的數(shù)量指數(shù)相關(guān)，當(dāng)互連規(guī)模大到一定程度后，由于占用的芯片面積及產(chǎn)生的功耗過(guò)大，Crossbar事實(shí)上并不可用。iWBesmc

在NoC架構(gòu)中，每一個(gè)模塊都連接到片上路由器，而模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則是形成了一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)路由器去送達(dá)數(shù)據(jù)包的目標(biāo)模塊，既能滿足帶寬與延時(shí)等指標(biāo)，又不會(huì)占用過(guò)大的芯片面積，在越來(lái)越多的復(fù)雜SoC芯片中獲得采用。iWBesmc

與其他兩種片上互連方式相比，NoC獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在——當(dāng)片上使用互連的模塊數(shù)量增加時(shí)，互連電路本身的復(fù)雜度并不會(huì)上升很多，同時(shí)NoC的傳輸層、物理層和接口是分開的，用戶在傳輸層自定義傳輸規(guī)則時(shí)，無(wú)需修改模塊接口。iWBesmc

現(xiàn)在，異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)SoC中的模塊數(shù)量，已經(jīng)從之前的幾個(gè)上升到了數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)，且隨著該架構(gòu)未來(lái)得到更多的應(yīng)用，這類SoC中將集成更多的模塊。屆時(shí)，片上互連需連接更多的模塊，NoC的重要性會(huì)進(jìn)一步凸顯。iWBesmc

更多的核心，更復(fù)雜的片上緩存系統(tǒng)設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)更多問(wèn)題的出現(xiàn)。NoC帶來(lái)的幫助主要集中在以下幾點(diǎn)：一是避免后端布局布線擁塞；二是更易滿足芯片時(shí)序要求；三是NoC的很多資源可復(fù)用，對(duì)布線資源要求更少，能降低整個(gè)芯片的面積。iWBesmc

“當(dāng)芯片內(nèi)部的模塊多達(dá)數(shù)百個(gè)，就需在IP模塊和SoC頂層之間引入子系統(tǒng)。假設(shè)一個(gè)SoC芯片內(nèi)部有8個(gè)CPU核、4個(gè)GPU核，這8個(gè)CPU核做成一個(gè)CPU子系統(tǒng)，4個(gè)GPU做成一個(gè)GPU子系統(tǒng)……通過(guò)這種分層方式，可以更好地管理整個(gè)芯片架構(gòu)。”時(shí)昕博士介紹說(shuō)。iWBesmc

Arteris在中國(guó)合資成立傳智驛芯

當(dāng)一個(gè)技術(shù)開始受到關(guān)注，那么市場(chǎng)就會(huì)對(duì)它有需求。目前，針對(duì)NoC主要有兩種形式，一種是芯片廠商自研NoC，另一種是直接購(gòu)買第三方的NoC IP。iWBesmc

但做一個(gè)高性能的NoC難度非常高，不僅要應(yīng)對(duì)多核/異構(gòu)SoC的要求，又要具備穩(wěn)健的路由算法，保證互連網(wǎng)絡(luò)不存在死鎖，還要有很好的通信效率，以及配套的EDA工具，可快速配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行快速模型仿真，并自動(dòng)部署眾多的信號(hào)連線。對(duì)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)來(lái)說(shuō)，購(gòu)買第三方NoC IP不失為一種最便捷的方式，它可為自己縮短2至3個(gè)月，甚至半年的芯片迭代時(shí)間。iWBesmc

值得注意的是，目前全球范圍內(nèi)的NoC IP供應(yīng)商并不多，尤其是在Sonics、Netspeed相繼被Facebook(后改名Mate)、英特爾收購(gòu)之后，該領(lǐng)域知名的獨(dú)立IP供應(yīng)商只剩下Arteris一家。2022年，Arteris在中國(guó)設(shè)立了合資公司傳智驛芯。iWBesmc

實(shí)際上，傳智驛芯是Arteris NoC IP的價(jià)值和服務(wù)的延伸。根據(jù)傳智驛芯展臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的介紹，合資公司的初衷是建立中國(guó)本土的研發(fā)和服務(wù)團(tuán)隊(duì)，在Arteris NoC IP的基礎(chǔ)上，為中國(guó)客戶提供差異化服務(wù)，圍繞著NoC展開的IP子系統(tǒng)或者SoC設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，比如追求可靠性的功能安全，追求性價(jià)比的消費(fèi)電子，追求性能的高性能計(jì)算，追求靈活變化的FPGA等等。目前，傳智驛芯的業(yè)務(wù)模式主要有兩種：一種是IP模式；另一種是根據(jù)客戶需求，提供芯片設(shè)計(jì)服務(wù)。iWBesmc

在時(shí)昕博士看來(lái)，傳智驛芯與Arteris的合作對(duì)兩者來(lái)說(shuō)是雙贏，“中國(guó)公司有一些本土化的需求，可能外資公司難以服務(wù)好這些本土化需求。通過(guò)合資公司的模式，既有很好的產(chǎn)品技術(shù)作為基礎(chǔ)，又可深入了解中國(guó)市場(chǎng)的需求，從而能更快速響應(yīng)客戶的要求。”iWBesmc

傳智驛芯的客戶群主要有車規(guī)芯片、GPU/AI芯片、RISC-V、FPGA四類企業(yè)，這些類型芯片均有采用異構(gòu)或多核計(jì)算架構(gòu)。該公司的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)具備豐富的車規(guī)芯片出貨經(jīng)驗(yàn)，所以一開始在車載芯片方面的投入較多。此外，時(shí)昕博士還強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“只要是復(fù)雜的SoC就會(huì)用到包括NoC在內(nèi)的子系統(tǒng)IP，我們的客戶群不局限于以上四大類企業(yè)。”iWBesmc

從車規(guī)系統(tǒng)IP的角度來(lái)看，該公司會(huì)提供一些車規(guī)芯片中必需的IP，比方功能安全島Safety Island，針對(duì)車規(guī)級(jí)芯片的特殊需求提供一些車規(guī)IP。它在設(shè)計(jì)流程方面，比如驗(yàn)證、DFT等環(huán)節(jié)的要求指標(biāo)更高，而“如何才能在達(dá)到高指標(biāo)的同時(shí)，又能控制設(shè)計(jì)時(shí)間、硅片面積等方面的投入”，傳智驛芯在這些方面可達(dá)到很好的平衡。iWBesmc

“車規(guī)芯片還有一些認(rèn)證要求，包括有公司管理、產(chǎn)品開發(fā)等流程，比如ISO-26262認(rèn)證，我們有專門的質(zhì)量團(tuán)隊(duì)，來(lái)幫助客戶做功能安全認(rèn)證。車規(guī)芯片既有SoC設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，也有其他方面的挑戰(zhàn)，它的門檻會(huì)更高，我們給予客戶的幫助會(huì)更明顯。” iWBesmc

針對(duì)“傳智驛芯在中國(guó)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)”的話題，時(shí)昕博士坦誠(chéng)地說(shuō)：“國(guó)內(nèi)做復(fù)雜數(shù)字邏輯的IP公司并不多，很多國(guó)產(chǎn)IP公司專注處理器核，而傳智驛芯做連接芯片內(nèi)的核心，所以現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。隨著一個(gè)芯片內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)、不同架構(gòu)的核心逐漸增加，NoC方式來(lái)完成片上互連需求會(huì)越來(lái)越大，未來(lái)NoC的市場(chǎng)會(huì)比現(xiàn)在大很多倍，所以我們選擇這樣一個(gè)市場(chǎng)。”他也補(bǔ)充表示，公司會(huì)根據(jù)中國(guó)市場(chǎng)的特定需求，進(jìn)一步完善互連IP，助力系統(tǒng)工程師更好地優(yōu)化系統(tǒng)算法軟件。iWBesmc

AI也撬動(dòng)更多NoC的機(jī)遇

今年年初，ChatGPT的爆紅帶來(lái)了很多的市場(chǎng)增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。對(duì)NoC IP供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，是否有感受到由AI帶來(lái)的新機(jī)遇？iWBesmc

時(shí)昕博士指出，未來(lái)多核處理器的規(guī)模會(huì)更大，芯片內(nèi)部的核心數(shù)也更多。在摩爾定律放緩的基礎(chǔ)上，提升算力很大程度上靠在芯片內(nèi)部堆積更多的核，這些核心可能使用不同的架構(gòu)。未來(lái)，這種異構(gòu)多核的數(shù)量和復(fù)雜度都會(huì)增加。“我們要考慮的是‘如何進(jìn)一步提升NoC的效率，針對(duì)不同場(chǎng)景做出不同的特性’。比如，AI更關(guān)注帶寬的要求，我們‘如何把產(chǎn)品的帶寬做得更高？’一些場(chǎng)景里可能更關(guān)注延時(shí)，我們又‘如何在保證帶寬的前提下，能夠把延時(shí)做得更低？’這些都是我們現(xiàn)在討論的方向。”iWBesmc

時(shí)昕博士認(rèn)為，除了子系統(tǒng)IP之外，市場(chǎng)上還會(huì)出現(xiàn)兩方面的技術(shù)主流：第一，芯片內(nèi)部的晶體管數(shù)量會(huì)進(jìn)一步上升，通過(guò)子系統(tǒng)IP方式去應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；第二，Chiplet能做Die-To-Die的互連。“未來(lái)我們?cè)谧鯠ie時(shí)，也要考慮到多Die之間的互連問(wèn)題。其實(shí)，在我們的產(chǎn)品矩陣?yán)?，現(xiàn)在已經(jīng)做了初步工作，也就是Die-To-Die的IP。”iWBesmc