在芯片設計中，SoC（System on Chip）和NoC（Network on Chip）是兩個不同的架構，它們在內(nèi)部通信方式、設計理念方面存在著很大的差異。 SoC以緊湊的結構和低功耗著稱，適用于小型和低功耗的應用，而NoC則采用分布式通信的方式，能夠為大規(guī)模的系統(tǒng)和高帶寬應用提供高效的通信方式。 隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等領域的不斷發(fā)展，NoC架構的芯片技術也將得到更廣泛的應用。 本文將探討SoC和NoC架構的差異以及各自的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

1互連的演變

共享總線：共享總線(如ARM的AMBA總線和IBM的CoreConnect總線)是SoC中常用的通信機制。 它們支持使用標準接口并允許 IP 重用的模塊化設計方法，但隨著系統(tǒng)帶寬需求的擴大，共享總線結構成為性能瓶頸。

分層總線：分層總線涉及使用多個總線或總線段來減輕主總線上的負載。 這種層次結構允許同一總線段上的模塊之間進行本地通信，而不會導致總線其余部分擁塞。 這種方法的缺點是降低了靈活性和可擴展性，并且設計過程很復雜。 連接到總線上的內(nèi)核越多，實現(xiàn)時間收斂和服務質(zhì)量的難度就越大。

總線矩陣：full crossbar系統(tǒng)是片上總線通信的替代方案。 不過，隨著參與系統(tǒng)數(shù)量的增加，線路的復雜性可能會超過邏輯部分。 當進行系統(tǒng)升級時，接口設計會受到影響，所有連接模塊都會受到影響。 盡管受益于亞微米技術，計算和存儲使用更小的邏輯單元和內(nèi)存，但通信的能量并沒有按比例減少。 相反，串擾效應、電遷移和互連延遲對時序收斂會產(chǎn)生負面影響。

2000 年代初期，一些技術人員提出使用預定義平臺來實現(xiàn)芯片中多個內(nèi)核之間的通信，這種集成交換網(wǎng)絡能夠滿足未來系統(tǒng)的可重用性、可擴展帶寬和低功耗等關鍵需求，稱為片上網(wǎng)絡（Network-on-Chip，簡稱NoC）。

2什么是NoC（Network-on-Chip）？

NoC是一種新型的芯片內(nèi)通信結構，它采用類似計算機網(wǎng)絡的設計思想，將片上系統(tǒng)內(nèi)部的各個處理器、存儲器、I/O等單元連接起來，形成一個可重構的、高效的、靈活的通信網(wǎng)絡。

NoC 與Soc

SoC（System on Chip）是一種在單個芯片上集成多個不同功能的電子系統(tǒng)的設計方法。 在SoC中，不同的組件（如處理器核心、內(nèi)存控制器、圖形處理器等）被集成在同一個芯片上，以便于更高效、更緊湊的設計和制造。

根據(jù)應用的不同，SoC 設計通常包含存儲設備、RAM/ROM 內(nèi)存塊、中央處理器 (CPU)、輸入/輸出端口和外圍接口，例如定時器、內(nèi)部集成電路、通用異步接收/發(fā)送器(UART)、圖形處理單元(GPU)、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)、串行外設接口(SPI)等。 此外，根據(jù)需要，還可以包括浮點單元或模擬/數(shù)字信號處理系統(tǒng)。

| 圖：SoC整體架構

目前SoC設計相對比較成熟。 大部分芯片公司芯片制造都采用SoC架構。 然而，隨著商業(yè)應用開始不斷追求指令運行并存性和預測性，芯片中集成的核數(shù)目將不斷增多，基于總線架構的SoC將逐漸難以不斷增長的計算需求。 其主要表現(xiàn)為：

可擴展性差。

SoC系統(tǒng)設計是從系統(tǒng)需求分析開始，確定硬件系統(tǒng)中的模塊。 為了使系統(tǒng)能夠正確工作，SoC中各物理模塊在芯片上的位置是相對固定的。 一旦在物理設計完畢后，要進行修改，實際上就有可能是一次重新設計的過程。 另一方面，基于總線架構的SoC，由于總線架構固有的仲裁通信機制，即同一時刻只能有一對處理器核心進行通信，限制了可以在其上擴展的處理器核心的數(shù)量。

平均通信效率低。

SoC中采用基于獨占機制的總線架構，其各個功能模塊只有在獲得總線控制權后才能和系統(tǒng)中其他模塊進行通信。 從整體來看，一個模塊取得總線仲裁權進行通信時，系統(tǒng)中的其他模塊必須等待，直到總線空閑。

單一時鐘同步問題。

總線結構要求全局同步，然而隨著工藝特征尺寸越來越小，工作頻率迅速上升，達到10GHz以后，連線延時造成的影響將嚴重到無法設計全局時鐘樹的成都，而且由于時鐘網(wǎng)絡龐大，其功耗將占據(jù)芯片總功耗的大部分。

NoC是一種基于網(wǎng)絡結構的芯片內(nèi)通信方式，它使用專門設計的網(wǎng)絡拓撲來實現(xiàn)不同組件之間的通信。 與傳統(tǒng)的總線結構相比，NoC能夠提供更高的帶寬、更低的延遲和更好的可擴展性。

| 圖：從總線結構到網(wǎng)絡拓撲

NoC具有以下幾個基本優(yōu)勢：

可擴展性：NoC的拓撲結構和通信機制可根據(jù)需要靈活設計和配置，可以適應不同的處理器核心數(shù)量和布局，同時支持快速的系統(tǒng)擴展。

高性能：NoC具有高帶寬和低延遲的特點，可以支持高效的多處理器并行計算和數(shù)據(jù)交換。

低功耗：由于NoC采用點對點的通信機制，相比于總線結構具有更少的冗余傳輸，因此能夠降低功耗。

可靠性：NoC具有高度的可靠性和容錯能力，由于采用冗余鏈路和路由算法，能夠快速檢測和恢復故障，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3NoC架構

NoC 架構主要由三個模塊組成。

第一個也是最重要的，是物理連接節(jié)點并實現(xiàn)通信的鏈路。

第二個是路由器，實現(xiàn)通信協(xié)議。

最后一個是網(wǎng)絡適配器 (NA) 或網(wǎng)絡接口 (NI)，在 IP 核和網(wǎng)絡之間建立邏輯連接。

| 圖：網(wǎng)狀拓撲中的典型 NoC 架構

鏈路：鏈路是路由器之間傳輸數(shù)據(jù)的物理通道，可以是電氣信號線、光纖、無線信號等。 鏈路的帶寬和延遲是影響NoC性能的重要因素，因此鏈路的設計需要充分考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃浴?/p>

路由器：路由器是NoC的基本組成部分，用于連接芯片內(nèi)部的各個處理器、存儲器、I/O等單元。 路由器的作用是負責接收來自不同節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預先定義的路由算法，將數(shù)據(jù)轉發(fā)到目標節(jié)點。 路由器通常具有多個輸入端口和輸出端口，可以同時處理多條數(shù)據(jù)流。 路由器還包含一個邏輯塊，實現(xiàn)流控制策略(路由、仲裁器等)，并定義通過NoC移動數(shù)據(jù)的總體策略。

| 圖：路由器的通用架構

網(wǎng)絡接口/適配器：這部分負責在IP核和網(wǎng)絡之間建立邏輯連接，因為每個 IP 都可能具有與網(wǎng)絡相關的不同接口協(xié)議。 這部分很重要，它實現(xiàn)了計算和通信之間的分離，允許相互獨立地重用核心和通信基礎設施。

NoC還支持多種通信協(xié)議，包括高速緩存一致性協(xié)議、DMA協(xié)議等，讓它們可以更好地支持多核處理器系統(tǒng)和分布式計算應用。

4NoC的拓撲結構

NoC的拓撲結構是指路由器之間的連接方式，常見的拓撲結構包括環(huán)形，星形，Mesh，樹形，胖樹形，蝴蝶形和環(huán)面等。

環(huán)形：所有節(jié)點都以環(huán)狀方式連接，它的優(yōu)點包括：(1)電纜故障容易定位，故障排除更容易。 (2)安裝比較容易。 局限性包括：(1)網(wǎng)絡擴容可能導致網(wǎng)絡中斷。 (2)即使是電纜的一個斷裂也會破壞整個網(wǎng)絡。

星形：星形拓撲直徑小，平均跳躍距離小，同時操作簡單，每個節(jié)點都是隔離的，不受故障節(jié)點的影響。 不過中心節(jié)點是瓶頸，中心節(jié)點故障會導致整個網(wǎng)絡故障。

Mesh：Mesh拓撲是一種基于網(wǎng)格形式的拓撲結構，其中每個節(jié)點都與周圍的節(jié)點相連。 在Mesh結構中，每個節(jié)點只需要了解相鄰節(jié)點的地址，因此它的路由算法比較簡單。 Mesh結構的優(yōu)點是可以快速地進行點到點通信，但是它的鏈路數(shù)目較多，容易出現(xiàn)擁塞。

Tree（樹形）：樹形拓撲由頂部（根）節(jié)點和底部（葉）節(jié)點組成，此拓撲中的節(jié)點可以訪問更廣泛的網(wǎng)絡資源，并得到多家供應商的支持。 但是，它的瓶頸是根節(jié)點，根節(jié)點的故障會導致整個網(wǎng)絡的故障。 此外，隨著節(jié)點的增加，網(wǎng)絡配置會變得更加復雜。

Fat-tree（胖樹）：Fat-tree拓撲是一種基于樹形的拓撲結構，其中每個節(jié)點都具有多個輸入端口和輸出端口。 Fat-tree結構的優(yōu)點是具有較好的可擴展性和高帶寬，但是它的路由算法比較復雜，并且需要更多的硬件資源來實現(xiàn)。

蝴蝶形：基本的蝴蝶架構從源節(jié)點到目的節(jié)點只有一條路徑，缺乏路徑多樣性，導致鏈路容錯性低，帶寬低。 此外，這種拓撲結構通常需要很長的電線，復雜的電線布局會導致更多的能源消耗。

Torus（環(huán)面）：Torus拓撲結構是一種基于環(huán)形的拓撲結構，其中每個節(jié)點都與周圍的節(jié)點相連，并形成一個環(huán)形結構。 在Torus結構中，每個節(jié)點可以看作是環(huán)上的一個點，可以通過不同的路徑快速地到達目標節(jié)點。 Torus結構的優(yōu)點是具有良好的擴展性和可靠性，但是它的路由算法比Mesh結構要復雜一些。

此外還有立方體架構，它的主要缺點是由于度的限制，其網(wǎng)絡規(guī)模會受到限制。 為了解決這個問題，已經(jīng)提出了各種變體，例如折疊超立方體、雙立方體、交叉立方體、立方體連接循環(huán)、層次立方體和元立方體等等。

不同的拓撲結構具有不同的優(yōu)缺點，具體應用時需要根據(jù)系統(tǒng)的需求來選擇適合的拓撲。 例如，在需要高帶寬和低延遲的場景中，可以選擇環(huán)面結構； 在需要高可擴展性和高帶寬的場景中，可以選擇胖樹結構。 同時，NoC的拓撲結構可以根據(jù)系統(tǒng)需求進行優(yōu)化，還可以進行混合結構的設計，充分利用不同拓撲結構的優(yōu)點。

5NoC挑戰(zhàn)

NoC 提供了一個可擴展的模塊化平臺，可提供高效的片上通信，以應對 SoC 集成的趨勢，但是仍需要關注相關挑戰(zhàn)以進一步提高系統(tǒng)性能。

鏈接

為數(shù)據(jù)傳輸選擇并行或串行鏈路一直是 NoC 中的主要問題之一。 一方面，串行鏈路可以大大節(jié)省面積、降低噪聲和減少干擾。 但是，數(shù)據(jù)傳輸需要串行器和解串行器電路。 另一方面，并行鏈路有助于降低功耗，但由于其基于緩沖區(qū)的架構，它會占用更多面積。

路由器架構

由于底層架構必須體積小才能消耗更少的功率，路由協(xié)議設計呈現(xiàn)了成本和性能之間的權衡。 例如，復雜的路由協(xié)議會使路由器設計變得復雜。 這樣的話，會消耗更多的面積和功率。 簡單的路由協(xié)議將是具有成本效益的解決方案，但其在流量路由方面的性能會相對較低。

面積/空間優(yōu)化

在 NoC 架構中，通信通過連接的模塊通過路由器網(wǎng)絡以長鏈路的方式進行。 不同拓撲的鏈路大小、數(shù)據(jù)包大小、緩沖區(qū)大小、流量/擁塞控制和交換協(xié)議等各種方案不僅需要巨大的 NoC 設計空間，而且使開放基準測試具有挑戰(zhàn)性。 因此，為了提高系統(tǒng)性能，鏈路優(yōu)化勢在必行。 雖然這個問題可以通過中繼器來解決，但會消耗更多的芯片面積。 同樣，為了促進NoC技術的廣泛應用，需要有效的空間評估和實施設計工具，這些工具可以與當前的標準工具無縫集成。

延遲

在 NoC 中，延遲增加是由于 NI 數(shù)據(jù)打包/解包的額外延遲造成的。 它還可以歸因于容錯協(xié)議開銷和流量/擁塞控制延遲。 此外，由于競爭和緩沖，路由延遲也會影響網(wǎng)絡性能。 因此，為了提高網(wǎng)絡性能（即滿足嚴格的延遲限制），需要原生 NoC 支持、低直徑拓撲和高級流量控制方法。

功耗泄漏

根據(jù)應用的不同，NoC 中的鏈路利用率可能會有所不同，在某些情況下會非常低。 為了滿足最壞情況的要求，NoC 旨在保持冗余鏈路并在低鏈路利用率下運行。 然而，即使是理想鏈路，由于相關的復雜路由邏輯塊和 NI，NoC 也會消耗相對較多的功率。 因此，為了進一步提高其在減少泄漏功耗方面的性能，需要創(chuàng)新的架構和電路技術。

6小 結

NoC技術作為新一代芯片設計的趨勢，正逐漸得到廣泛的應用。 通過采用高效的內(nèi)部通信架構和靈活的互聯(lián)方式，NoC可以實現(xiàn)高性能、低功耗、可擴展性和可靠性等優(yōu)勢，為未來的人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等新興領域的發(fā)展提供了重要的支撐。 盡管NoC技術還面臨著一些挑戰(zhàn)和困難，但隨著技術的不斷發(fā)展和應用的推廣，NoC將會成為未來芯片設計的重要方向和趨勢。

審核編輯：湯梓紅