Achronix 最新基于臺積電（TSMC）的7nm FinFET工藝的Speedster7t FPGA器件包含了革命性的新型二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC）。2D NoC如同在FPGA可編程邏輯結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的高速公路網(wǎng)絡(luò)一樣，為FPGA外部高速接口和內(nèi)部可編程邏輯的數(shù)據(jù)傳輸提供了超高帶寬（~27Tbps）。

　　圖1  Speedster 7t FPGA結(jié)構(gòu)圖

　　NoC使用一系列高速的行和列網(wǎng)絡(luò)通路在整個FPGA內(nèi)部分發(fā)數(shù)據(jù)，從而在整個FPGA結(jié)構(gòu)中以水平和垂直方式分發(fā)數(shù)據(jù)流量。NoC中的每一行或每一列都有兩個256位的、單向的、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AXI通道，可以在每個方向上以512Gbps（256bit x 2GHz）的傳輸速率運(yùn)行。

　　NoC為FPGA設(shè)計提供了幾項(xiàng)重要優(yōu)勢，包括：

　　·提高設(shè)計的性能。

　　·減少邏輯資源閑置，在高資源占用設(shè)計中降低布局布線擁塞的風(fēng)險。

　　·減小功耗。

　　·簡化邏輯設(shè)計，由NoC去替代傳統(tǒng)的邏輯去做高速接口和總線管理。

　　·實(shí)現(xiàn)真正的模塊化設(shè)計。

　　本文用一個具體的FPGA設(shè)計例子來展現(xiàn)NoC在FPGA內(nèi)部邏輯互連中發(fā)揮的重要作用。本設(shè)計主要是實(shí)現(xiàn)三重數(shù)據(jù)加密解密算法（3DES）。該算法是DES加密算法的一種模式，它是對于每個數(shù)據(jù)塊應(yīng)用三次DES加密算法，通過增加DES的密鑰長度增加安全性。

　　在該FPGA設(shè)計中，我們將輸入輸出管腳放在的FPGA上下左右四個方向上。上面管腳進(jìn)來的數(shù)據(jù)經(jīng)過邏輯1進(jìn)行解密然后通過藍(lán)色的走線送到邏輯2加密以后從下面的管腳送出。左邊管腳進(jìn)來的數(shù)據(jù)經(jīng)過邏輯3進(jìn)行解密然后通過紅色的走線送到邏輯4加密以后從右邊的管腳送出。如圖2 所示。

　　圖2  3DES設(shè)計（沒有用NoC）后端布局布線圖

　　本設(shè)計遇到的問題如下：

　   ·加密和解密模塊中間的連線延時太長，如果不增加流水寄存器（pipeline），設(shè)計性能會收到很大限制。但是由于連接總線位寬是256位，增加幾級流水寄存器又會占用很多額外的寄存器資源。

　　·上下模塊之間的連接總線和左右模塊之間的連接總線出現(xiàn)了交叉，如果設(shè)計再復(fù)雜一點(diǎn)有可能會遇到布局布線局部擁塞，會大大增加工具布局布線時間。

　　上面兩個問題也是廣大FPGA設(shè)計者在復(fù)雜FPGA設(shè)計中或多或少會遇到的問題，導(dǎo)致的原因有可能是設(shè)計比較復(fù)雜，也有可能是硬件平臺的限制，或者設(shè)計必須連接不同位置的外圍Hard IP導(dǎo)致。

　　NoC的出現(xiàn)讓我們上面遇到的問題迎刃而解。NoC為FPGA邏輯內(nèi)部互連提供了雙向288bit的原始數(shù)據(jù)模式（Raw data mode）。 用戶可以通過這288bit的信號進(jìn)行邏輯直連或者自定義協(xié)議互連。

　　圖3  利用2D NoC進(jìn)行內(nèi)部邏輯互連

　　在NoC的每個交叉點(diǎn)上都有兩個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（NAP），用戶只要簡單地通過例化NAP的原語或者宏定義就可以將自己的邏輯接入到NoC并進(jìn)行互連。

　　圖4  網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)NAP

　　圖5  例化NAP宏定義示例

　　這樣通過在3DES加密和解密模塊上分別例化NAP，就可以實(shí)現(xiàn)3DES加密和解密模塊之間的NoC互連。

　　圖6  3DES設(shè)計（利用NoC）后端布局布線圖

　　這樣在簡化用戶設(shè)計的同時，設(shè)計性能有了很大的提高，從之前的260MHz提高到了750MHz。 圖6中可以看到之前邏輯之間大量的連接總線已經(jīng)看不到，總線的連接都由NoC接管，在后端布局布線圖中只能看到綠色時鐘走線和白色模塊內(nèi)部的邏輯走線。

　　本文主要想通過這樣一個例子給廣大FPGA設(shè)計者展示如何利用NoC來進(jìn)行FPGA內(nèi)部邏輯的互連，從而給廣大FPGA設(shè)計者提供另一種考慮問題的思路。在傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計中出現(xiàn)了性能無法提升，布局布線擁塞的時候，是否可以考慮利用Achronix新一代的Speedster7t FPGA來簡化和加速用戶的設(shè)計。

　　本公眾號今后也將會陸續(xù)推出關(guān)于二維片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）的系列文章，比如NoC技術(shù)的發(fā)展，NoC性能評測以及與傳統(tǒng)互連架構(gòu)的對比，Speedster7t FPGA中NoC的技術(shù)參數(shù)以及調(diào)用方法，關(guān)于NoC的各種參考設(shè)計等等，敬請期待。