片上网络Network-on-chip (NoC) 是一种应用于大规模集成电路(VLSI)系统中的,一种新的片上系统(System-on-chip)的设计方法。在一个片上网络系统中,处理器核心(processor core),存储器和专用的知识产权核(Intellectual Property cores)通过网络,而不是通过当前常见的基于共享总线的方式相互连接。一个片上网络系统由若干数据链路(data links)构成。这些数据链路通过片上网络路由器相互连接而构成网络。各种模块通过网络接口(NIC)接入网络中。由于路由器可以进行路由决策与消息的暂存和转发,那么信息就可以从任何源模块经过若干数据连接传输和路由器的转发到达任何目的模块。由此可以看出,片上网络系统将我们日常使用的宏观通信网络的概念引入到芯片上的(on-chip),模块之间(inter-module)的通信中。两者都是在复用的数据链路传送信息。
采用片上网络的设计方法可以突破很多传统集成电路设计方法的技术瓶颈。传统的集成电路设计方法在两个模块之间采用点对点的独享连接线(dedicated wires)连接。当集成电路的规模扩大到一定的程度(例如集成的晶体管达到10亿级),传统设计方法的弊端和局限逐渐凸显出来。首先,模块之间连接线将占据大量的芯片面积。其次,传统的设计方法采用全局统一时钟,随着芯片规模的增大,速度的增加,庞大的时钟树将无法保证的全局时钟的统一,并且时钟树本身将会产生大量的能耗。此外,为了应对不断增加的对于芯片的的多功能、并行性需求,大规模的集成电路中的模块数量的会进一步增加,传统的集成电路设计方法在布线,可重用性,可扩展性等问题面临了更加严峻的挑战。
由于采用了复用的数据链路以及分组交换的通信结构,片上网络的设计方法可以比较好的解决上述问题。各芯片中的模块如同Internet中的主机一样,通过标准化的网络接口(NIC)接入网络,使用共享的网络资源与目的模块进行通信。这样并行性和可扩展性得到充分保障。其次,片上网络方法的一个重要特性是采用了GALS(Globally Asynchronous Local Synchronous, 全局异步局部同步)的设计构想,避免产生庞大的时钟树,同步问题得到解决。另外,由于片上网络方法实现了芯片中的计算资源(各个处理,计算,存储模块)和通信资源(网络)的分离,通信网络对于单一的模块是透明的,并且模块之间设计也是相互独立的,这在很大程度上顺应了集成电路设计中的模块化趋势。
在过去几年里,一些研究机构提出了对NoC不同抽象层次的验证方法的研究,一般的NoC验证是基于软件的仿真与建模,如用C、C++、Systemc进行系统级建模仿真,这样验证很灵活,但是在仿真时间上开销很大,由于不能运行实际应用,所以不能对整个NoC系统进行验证(如IP核的验证)只能对NoC的互连网络进行验证。同时软件验证都是使用的合成的流量发生器,尽管它能在不同的网络参数下对NoC的功耗与性能进行灵活的验证,但是它过多的依赖于许多近似与假设影响了结果的精确性;另一方面,软件仿真依赖于简单的流量发生器,使得它们的验证结果不能提供实际价值,因为网络的性能与功耗严重依赖于网络上实际运行的业务的通信流量特性。而尽管一些应用也可以用软件验证的高级抽象模型来描述,但是这只适合少数情况。因此为了得到有意义的结果,在实际应用下的原型验证是非常有必要的。
而在FPGA上进行原型验证能满足上述要求,它能提供更快的速度和更高的精确度。NoC作为一种芯片上的应用技术,最终是需要在硬件上具体实现的,软件验证并不能考虑到硬件的物理特性(如门延时)而是理论上周期精确,有可能导致理论上正确的结果在实际硬件上不能运行,而FPGA原型验证不存在这些问题。FPGA原型让一个设计师设计的各个方面进行评估的,说明的主要思想,并提供有关产品实施最终现实的预测,如作出准确的面积估计可行,以及各组成部分实际的硬件开销估计和能源消耗的测量。
随着FPGA步入市场,它逐渐取代了ASIC。FPGA设计周期短,同时NRE费用少,加上它的可快速重配置,所以FPGA使用非常普遍。FPGA的可充配置性能根据系统需求的变化而一次由一次的进行微调,因此它能提供一个非常通用的平台。而NoC又具有模块化特性,因此能根据应用需求的变化而进行微小的修改而重复使用,所以在FPGA上对NoC进行原型验证非常合适。
片上网络概述与FPGA研究(连载1)
- FPGA(591969)
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- 片上网络(11728)
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一种用于片上网络的交换开关结构
半导体技术的飞速发展推动了片上系统设计进入到片上网络阶段。为了进一步研究其结构及不同工艺对其的影响,文章分析了片上网络对于片上系统的优越性,并针对其重要组成
2009-08-21 09:03:0812
片上网络的功耗研究
随着芯片上晶体管数量发展到10亿数量级,功耗逐渐成为芯片设计的首要制约因素。本文分别从CMOS电路和网络通讯两个层面上来分析片上网络(NoC)的功耗,并给出了相应的功耗
2009-12-14 09:51:176
片上网络系统网络层设计与研究
本文参照传统的OSI(Open Systems Interconnection)模型与TCP/IP 模型对片上网络系统模型层次结构进行了按照片上网络特点进行的划分。文中还对片上网络的网络层设计中的各种拓扑结
2009-12-14 09:54:498
片上网络关键技术研究
半导体技术的快速发展以及芯片上系统应用复杂度的不断增长,使得片上互连结构的吞吐量、功耗、延迟以及时钟同步等问题更加复杂,出现了将通信机制与计算资源分离的片上网络。
2010-02-24 11:55:4917
一种用于片上网络的交换开关结构
半导体技术的飞速发展推动了片上系统设计进入到片上网络阶段。为了进一步研究其结构及不同工艺对其的影响,文章分析了片上网络对于片上系统的优越性,并针对其重要组成部
2010-07-17 16:53:5019
对片上网络低功耗的分析
从建立功耗模型出发, 在集成电路不同的设计层次、片上网络通讯功耗以及NoC 映射问题等方面来讨论NoC 的低功耗设计, 综合了现有功耗解决的最新方案, 对NoC 的功耗研究做了一个比
2011-06-30 09:32:171026
片上网络的SystemC建模研究
为了实现软硬件协同设计和提高仿真速度的需求,采用SystemC语言的建模方法,通过对片上网络体系结构的研究,提出了一种片上网络的建模方案,并对一个mesh结构完成了SystemC的建模设
2013-07-30 11:46:4442
手机移动网络上网和WIFI上网的对比
移动网络上网与WiFi连接上网,是移动设备上的两大高手。一个主室外, 一个主室内。WiFi上网是移动网络的室内覆盖补充。WiFi迟早将被淘汰的言论层出不穷。下面我们从耗电、速度、经济、安全等方面来说说。
2020-03-21 15:06:0412678
三维片上网络高维超立方裂变拓扑结构
三维片上网络是解决片上网络通讯瓶颈的重要途径,拓扑结构是三维片上网络研究中的关键问题。针对高维超立方拓扑结构节点度迅速増加,岀现通讯瓶颈的问题,提岀一种髙维超立方裂变拓扑结构,该拓扑在同等网络规模
2021-05-11 17:00:549
浅析可视化的片上网络(NoC)性能
1. 概述 Achronix 最新基于台积电(TSMC)的7nm FinFET工艺的Speedster7t FPGA器件包含了革命性的新型二维片上网络(2D NoC)。2D NoC如同在FPGA
2021-11-12 09:21:221777
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