作者：Arm 架構(gòu)與技術(shù)部產(chǎn)品管理總監(jiān) Francisco Socal

Arm 長期以來攜手生態(tài)系統(tǒng)，通過高級微控制器總線架構(gòu) AMBA 共同解決復(fù)雜的全行業(yè)問題。如今，隨著行業(yè)對芯粒 (chiplet) 的采用，AMBA 也是時候從單個片上拓展至多芯片了。

本文將簡要介紹 AMBA 的一致性集線器接口 (Coherent Hub Interface, CHI) 芯片到芯片 (C2C) 方法。CHI C2C 是對片上 CHI 的拓展，該方法目前正處于開發(fā)階段，旨在使 CHI 適用于芯片間及芯粒間的互連。

此外，本文還將闡述 AMBA CHI C2C 如何完善比如通用芯粒互連技術(shù) (UCIe) 等芯粒的標準化工作，以進一步推動協(xié)同合作。

為何選擇芯粒，又為何是現(xiàn)在？

行業(yè)目前正處于一個拐點，芯粒正被廣泛用于各個細分領(lǐng)域和應(yīng)用。

當前系統(tǒng)級芯片 (SoC) 設(shè)計面臨的巨大經(jīng)濟壓力推動了行業(yè)對芯粒的投資。SoC 的復(fù)雜性和性能要求持續(xù)增加，同時每個新的先進芯片工藝節(jié)點（5 納米及以下）的成本也在不斷攀升。然而，這些新節(jié)點帶來的好處并沒有相應(yīng)增加。例如，雖然邏輯器件持續(xù)擴展，但 I/O 和內(nèi)存的收益卻在遞減。高昂的成本也阻礙了新的 SoC 或衍生產(chǎn)品的開發(fā)。

這種情況為芯粒創(chuàng)造了絕佳的機會。芯粒使芯片性能不再受到尺寸的限制，同時還能管理芯片成本，并提供更高的可組合性。

標準化至關(guān)重要

AMBA[1] 一直是片上通信的開放標準。它為各種設(shè)計提供了一個通用標準，確保 SoC 上的不同組件之間相互兼容。它還具有靈活性、可擴展性、設(shè)計復(fù)用以及低摩擦設(shè)計集成的優(yōu)點。

AMBA 規(guī)范（如 CHI 和 AXI）是免費提供的[2]，并由行業(yè)合作伙伴共同參與制定。AMBA 被廣泛應(yīng)用于 Arm 生態(tài)系統(tǒng)及其它領(lǐng)域。它具備久經(jīng)驗證的可靠性和可信賴度，在過去 27 年中已被用于數(shù)十億顆芯片中，覆蓋各個細分市場和應(yīng)用領(lǐng)域。

AMBA 實現(xiàn)的標準化成為當今 SoC 設(shè)計和無晶圓廠半導(dǎo)體模式的基礎(chǔ)。這種標準化為構(gòu)建繁榮生態(tài)系統(tǒng)和兼容 IP 和工具的綜合市場奠定基礎(chǔ)。其中包括處理器、加速器、互連、控制器和外設(shè)，以及來自芯片合作伙伴、IP 供應(yīng)商和其他合作伙伴的驗證 IP (VIP)、建模工具和性能工具。

標準化對芯粒的采用同樣至關(guān)重要。隨著行業(yè)從當前的定制芯粒平臺向多供應(yīng)商的可組合芯粒發(fā)展，標準化對于未來實現(xiàn)開放芯粒生態(tài)系統(tǒng)更為關(guān)鍵。

具有定義明確的可互操作層對標準化方法也十分重要。定義明確的可互操作層可支持設(shè)計復(fù)用，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時間。根據(jù)用例和需求的不同可以優(yōu)先選擇合適的實現(xiàn)方案，從而提供更大的靈活性并促進創(chuàng)新。

芯粒的發(fā)展依賴于物理層、傳輸層和協(xié)議層的標準化，外加軟件模型、機械、散熱和功耗的標準。另外，還少不了芯片驗證、可靠性測試、合規(guī)性測試及許多其它工作。

為何選擇 AMBA CHI？

AMBA CHI[3] 架構(gòu)可為連接大量處理器、加速器和內(nèi)存的系統(tǒng)提供所需的性能和規(guī)模。更根本的是，CHI 具有高速、可靠和可分組特性，因此非常適合用于芯粒。同時，CHI 是廣泛使用的開放標準，為采用芯粒提供了一種低風險且簡單直接的途徑。

CHI 協(xié)議提供了一個全緩存一致性模型。該模型與架構(gòu)無關(guān)，支持通過 snoop 過濾器和基于目錄的系統(tǒng)進行擴展。該協(xié)議于 2013 年公布后便不斷發(fā)展演進[4]，不僅增加了新功能，還進行了性能提升[5]。CHI 有著廣泛的功能和特性，例如：

原子級和獨占事務(wù) (transactions)

用于降低延遲的優(yōu)化流程，如 DMT、DCT 和 DWT

基于奇偶校驗的接口保護

低功耗，具有多種不同的控制級別

寫零、數(shù)據(jù)省略和本地復(fù)制，以減少數(shù)據(jù)傳輸

分布式虛擬內(nèi)存 (DVM) 管理

用于機密計算的機密領(lǐng)域管理擴展 (RME)

CHI 作為超大規(guī)模計算、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的基石，已經(jīng)取得了巨大成功。CHI 現(xiàn)已廣泛用于移動設(shè)備和汽車等多個細分市場的諸多應(yīng)用并得到了驗證，而這些應(yīng)用也需要完整的硬件一致性和高性能。

AMBA CHI C2C 的推出

我們很高興介紹 AMBA CHI C2C，這是對 CHI 的擴展，并將主要用于芯片（芯粒）間互連。

對于芯片（芯粒）到芯片（芯粒）(C2C)，我們指的是芯粒（即多芯片或芯片間）和芯片間（即通過 PCB 連接的多芯片）。

CHI C2C 面向先進異構(gòu)系統(tǒng)用例以及基于 Arm 架構(gòu)的一致性 SMP。它為設(shè)備連接提供了統(tǒng)一的接口，包括計算、加速器和內(nèi)存。這不僅適用于全一致性傳輸，也適用于 I/O 和非一致性傳輸。

CHI C2C 專注于協(xié)議層和分包層。它利用現(xiàn)有的片上 CHI 協(xié)議并對其分包方式進行定義，使其適合通過芯片（芯粒）間鏈路進行傳輸。分包格式對鏈路利用率和延遲進行了優(yōu)化，同時避免了復(fù)雜的分包和解包方案。

相同的架構(gòu)特性可以跨越芯片（粒）間的邊界，芯片（粒）間可以共享相同的內(nèi)存和安全模型。這可以避免出現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、不兼容和額外的時延。這種分層方法可以與底層傳輸徹底分離，因此 CHI 可以在 UCIe 等選項上使用，無論它們是否已標準化。

使用 CHI 和 UCIe 串流

行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者紛紛加入 UCIe[6] 以提供標準化的芯片間 (die-to-die) 接口，其發(fā)展勢頭強勁[7]。UCIe 提供了針對芯片間集成而優(yōu)化的物理層 (PHY) 和適配器，以及軟件模型和合規(guī)性測試。

UCIe 還提供了極大的協(xié)議靈活性。該技術(shù)采用了一種多堆棧方法，允許在單個物理鏈路上使用多個協(xié)議。PCIe 和 CXL 可用于傳統(tǒng)片外設(shè)備，而串流接口可用于插入其它協(xié)議，因此非常適合用于傳輸 AMBA CHI。

下面列舉了一個使用 UCIe 串流的基于 CHI 的多芯片系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)勢：

無縫使用架構(gòu)特有的功能：由于是傳輸相同的片上 CHI 協(xié)議，因而允許無縫使用架構(gòu)特有的功能，而無需轉(zhuǎn)換協(xié)議。

鏈路穩(wěn)健性：UCIe 串流接口使用 UCIe 定義的數(shù)據(jù)鏈路 CRC 和重試等方式實現(xiàn)鏈路穩(wěn)健性。

總結(jié)

CHI C2C 規(guī)范目前正處于開發(fā)階段，與所有其它 AMBA 規(guī)范一樣，它將按照現(xiàn)有的 AMBA 許可和治理模型發(fā)布。這意味著，除了免費提供、免版稅且無架構(gòu)要求外，它還具有廣泛和永久的實現(xiàn)權(quán)[注]，換言之，非常適合廣泛采用。

通過利用現(xiàn)有的 AMBA 許可和治理模型，CHI C2C 將能夠與 CHI 協(xié)議本身保持同步發(fā)展，并符合現(xiàn)有 AMBA 生態(tài)系統(tǒng)的要求。當然，我們要確保它針對 UCIe 等傳輸進行了優(yōu)化。

該模型沿用了分層的標準化方法和其它協(xié)議的現(xiàn)有治理模型，如 CXL 和 PCIe，也可以與 UCIe 一起使用。基于此，我們預(yù)計 CHI C2C 將廣泛用于各個細分市場和應(yīng)用領(lǐng)域。隨著時間的推移，將從高性能基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用拓展到汽車行業(yè)等等。此外，現(xiàn)有基于 AXI 設(shè)計的數(shù)量龐大，這對于在 C2C 中的實現(xiàn)至關(guān)重要。

展望未來，我們期待繼續(xù)圍繞 C2C 與各方展開合作，并為行業(yè)提供各種工具，以構(gòu)建基于標準的優(yōu)秀芯粒解決方案。

審核編輯：湯梓紅