“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”，這是太陽(yáng)微系統(tǒng)公司的John Gage在1984年提出的理論，被證明是非常有見(jiàn)地的。如今在SoC領(lǐng)域這個(gè)想法再次出現(xiàn)。在一個(gè)芯片中，相互通信的功能——不是通過(guò)簡(jiǎn)單的電線，而是通過(guò)如交換機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、封裝器等復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)元件。這與1984年在一個(gè)機(jī)柜或房間中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的一組計(jì)算機(jī)沒(méi)太大區(qū)別。
在SoC出現(xiàn)之前，為了在一塊板子上從A連接到B，工程師們可以通過(guò)一堆電線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。最大的擔(dān)憂是管理電線長(zhǎng)度，并確保A和B使用完全相同的協(xié)議進(jìn)行通信，但僅此而已。真正的動(dòng)作是在計(jì)算元素中。在這些珍貴的組件之間連接是一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)任務(wù)。
但在過(guò)去的幾十年里，集成電路制造工藝技術(shù)、封裝與測(cè)試技術(shù)、設(shè)計(jì)方法學(xué)和EDA 工具等微電子相關(guān)技術(shù)始終保持著快速的發(fā)展。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）預(yù)測(cè)，到2024年每平方毫米集成的晶體管數(shù)目將達(dá)到90 億個(gè)。但是，全局互連線的性能提升程度明顯低于晶體管性能提升程度。受到亞閾值漏電流功耗、動(dòng)態(tài)功耗、器件可靠性以及全局互連線等影響，通過(guò)提升單個(gè)處理器核的性能來(lái)提升系統(tǒng)整體性能已變得非常難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)芯片設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜度也在進(jìn)一步增加。這個(gè)時(shí)候SoC就誕生了。SoC具有集成度高、功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流方向。隨著片上系統(tǒng)SoC 的應(yīng)用需求越來(lái)越豐富、越來(lái)越復(fù)雜，片上多核MPSoC已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)MPSoC 上集成的IP核數(shù)量也將會(huì)按照摩爾定律繼續(xù)發(fā)展。
從電線到主動(dòng)總線邏輯
隨著SoC能力的增長(zhǎng)，將整個(gè)板甚至更大的系統(tǒng)整合到單個(gè)芯片上成為可能，所有這些都由一個(gè)中央處理單元（CPU）或處理器集群管理。每個(gè)CPU運(yùn)行軟件來(lái)協(xié)調(diào)系統(tǒng)以處理需要軟件支持的靈活性的功能。提供處理器的Arm等公司的解決方案迅速興起，其他供應(yīng)商也在跟進(jìn)，包括CPU以外功能IP供應(yīng)商。首先，通過(guò)提供外圍IP來(lái)處理許多接口協(xié)議，然后發(fā)展為用于無(wú)線通信、圖形處理、音頻、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能（AI）這些專門(mén)的處理器。此外，還包括片上工作存儲(chǔ)器、緩存存儲(chǔ)器、到片外或片外DRAM的雙數(shù)據(jù)速率（DDR）接口等。
而且，還有許多很棒的功能可以集成到高級(jí)SoC中，但是它們?nèi)绾瓮ㄐ拍?？這里不能通過(guò)直接連接，因?yàn)檎麄€(gè)芯片會(huì)被電線覆蓋。CPU和內(nèi)存在確定下一步要服務(wù)什么方面會(huì)慢得無(wú)法想象。相反，“所有的交通都必須通過(guò)高速公路，并設(shè)有計(jì)量入口匝道?！比绻粋€(gè)IP想要與中央處理器通信，它必須等待輪到它進(jìn)入高速公路。
現(xiàn)在的Bus總線不再只是一種愚蠢的電線。監(jiān)視正在進(jìn)行的操作和下一步要允許的操作，二者是有邏輯的，此外，隊(duì)列支持的數(shù)據(jù)在以不同速度運(yùn)行的域之間流動(dòng)。流水線寄存器幫助跨越很大的距離，同時(shí)滿足時(shí)間限制。我們將其稱為“總線結(jié)構(gòu)”，通過(guò)控制邏輯、多路復(fù)用技術(shù)、寄存器和先入先出的通信順序?qū)⑦B接編織起來(lái)。
總線體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展
既然有了總線結(jié)構(gòu)的架構(gòu)，就可以為不同的目的設(shè)想不同的架構(gòu)了。高級(jí)微控制器總線體系結(jié)構(gòu)（AMBA）家族本身就有多種風(fēng)格，每一種都有自己的優(yōu)勢(shì)和限制。很可能，在一個(gè)復(fù)雜的SoC中需要幾個(gè)。但是還有另一種非常不同的技術(shù)——芯片上網(wǎng)絡(luò)（NoC），它在概念上非常不同，NoC并沒(méi)有緊密地耦合互連通信和物理傳輸，而是開(kāi)辟了新的架構(gòu)選項(xiàng)。
Noc的發(fā)展是以SoC為基礎(chǔ)。SoC通常是指在單一芯片上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)總線完成其中各模塊之間的交互，但隨著半導(dǎo)體工藝和需求的快速發(fā)展，總線的寬度已經(jīng)成為SoC發(fā)展的瓶頸，大大限制了SoC內(nèi)部通信的速度。90年代NoC技術(shù)的提出也是因?yàn)榻梃b了并行計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)的分層思想，二者的相同點(diǎn)有：支持包交換、路由協(xié)議、任務(wù)調(diào)度、可擴(kuò)展等。NoC更關(guān)注交換電路和緩存器的面積占用，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考量的方面也是這些。
還有另一個(gè)重要的考慮因素。典型的SoC現(xiàn)在將圍繞眾多第三方IP和一些集成商具有定制優(yōu)勢(shì)的自有IP構(gòu)建。這其中優(yōu)勢(shì)有多大呢？競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手可以購(gòu)買(mǎi)相同的第三方產(chǎn)品，這就稀釋了可能的差異化。然后，挑戰(zhàn)就變成了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)如何有效地集成SoC。
我們確實(shí)有這樣做的空間。帶寬、吞吐量、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、功率、安全性和成本都由集成方案所決定。這些因素都受到已實(shí)現(xiàn)的通信架構(gòu)的影響，很可能是一個(gè)NoC。最終，使芯片具有競(jìng)爭(zhēng)力的是對(duì)IP和片上通信架構(gòu)的謹(jǐn)慎選擇。