片上网络关键技术研究

片上网络关键技术研究杨晓强1, 2（1.西安电子科技大学微电子学院, 陕西西安 710071 ; 2. 西安科技大学 计算机系, 陕西西安710054）摘要：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。

片上网络设计涉及从物理层到应用层诸多方面的问题，本文给出片上网络设计的一些关键技术：设计流程、拓扑结构、路由技术、交换技术、性能评估；并指出目前研究存在的问题和今后的研究方向。

关键词：片上网络；片上系统；路由；拓扑结构【中图分类号】TN4 【文献标识码】AResearch of Network on Chip TechnologyYANG Xiao-qiang1,2(1.School of Microelectronics,Xi,dian University 710071,China;2.Department of computer,Xi’an University of Science and Technology 710054,china)ABSTRACT：With the development of VLSI technology and increasing complexity of System on Chip application, comunication architecture on chip design encounters some problems,such as,power,latency and clock work on Chip(NoC) was introduced. NoC involves in many problems ranging from physical layer to application layer, the paper provides the key technology for NoC design, such as design flow ,topology, routing, performance evaluation, flow control, resource network interface. In the end,the problems in present research and future research trends are presented..Keywords：Network on Chip System on Chip Routing Topology1 引言片上系统（Ｓystem on Chip，SoC）将计算资源，即多个处理核和大的可重用的组件集成到一个芯片上，实现了计算资源之间的点到点的连接转向了总线的连接。

相对于点到点的连接，总线的连接降低了设计的难度，减少了芯片的面积成本，有利于计算资源的标准化。

随着硅工艺的进一步发展，总线连接的通信方式面临着许多问题。

１）总线限制了所连接的计算资源的数量。

总线只能实现共享信道的通信，适合连接３到１０个计算资源，若再增加计算资源，总线争用就会带来严重的竞争冲突，降低了信道的的吞吐量。

２）深亚微米的物理层带来问题。

长而细的全局总线，电阻大，消耗大量的能量；线间存在较大的偶合电容，对信号的传输造成大的干扰。

３）系统信号同步问题。

随着芯片集成度增加和芯片速度提高，芯片上各部分模块很难实现全局信号同步。

４）芯片的设计效率和计算资源重用问题。

每个片上系统有不同通信结构要求，系统内的每个计算资源也有不同通信结构要求，这就带来了重用的问题，降低了芯片的设计效率[1]。

为了解决设计复杂SoC时的问题，一些研究机构提出了以通信为中心的复杂SoC的计算资源的集成设计方法――片上网络（Network on Chip，NoC）。

NoC实现了计算资源与通信结构（网络）的分离[2，3]。

目前有许多机构在NoC方面做了大量研究，具有重要影响有：意大利Bologna大学和美国Stanford大学联合研发的一个可综合的、高性能NoC的XPipes；荷兰Philips公司研发的具有保证服务并提供尽最大努力服务NoC的ÆTHEREAL。

英国Manchester 大学研发的使用握手信号进行数据交换的自定时NoC的CHAIN，法国Pierre et Marie Curie大学研发的通用可扩展NOC的SPIN。

国内研究刚刚起步，主要有清华大学、西安电子科技大基金项目：国家自然科学基金项目(90607008) 无线通信自重构容错NOC研究学等。

NoC研究涉及到从物理设计到体系结构、应用服务、设计方法和工具等诸多方面。

从系统结构角度看，NoC研究的重点在于NoC的拓扑结构、NoC协议、NoC服务质量、NoC的信号同步和低功耗等问题[4，5]。

2 NoC的组成及设计流程2.1 NoC的组成NoC由计算资源和通信网络两部分组成。

计算资源一般由IP核和本地内存组成，对应应用层上一个独立的应用，是芯片物理层上一个独立的信号同步处理区域。

IP核是一个可以重构的硬件单元，例如处理器、DSP等[6]。

通信网络主要包含路由器、信道和资源网络接口。

图1给出一个3x3 NoC拓扑结构。

计算资源只受到芯片面积和接口的条件限制。

资源网络接口将资源和网络连接，使资源相对网络透明，实现了异构计算资源间的方便、灵活的通信。

NoC结构是一种片上通信基础结构，涉及了OSI的物理层、数据链路层和网络层[4]。

图1 一个3x3 NoC拓扑结构2.2 资源网络接口资源网络接口是计算资源与网络间的接口，目的是：1）让计算资源承担最小的通讯服务任务；2）将计算资源与网络通信部分分离，即计算和通讯间的分离，使计算资源对网络透明，从而实现异构资源间的互连，且能提高设计的重用性。

资源网络接口在计算资源这一侧实现了资源接口，在网络这一侧实现了网络接口。

资源网络接口易于使用分层的方法实现系统。

在分离高层，易于计算资源的重用；在分离的低层使得网络资源的重用优化，提高了实际设计效率[5]。

资源网络接口主要考虑地址信号，数据的打包、解包、编码，同步等问题。

2.3 拓扑结构NOC的拓扑结构定义系统中每个计算资源结点通过信道与其它计算资源结点的连接关系。

拓扑结构通常用图来描述。

结构既可以是规则的也可以是不规则的。

NOC的拓扑结构主要有网格结构、环网格结构、混合结构、非规则结构等，如图2所示。

(a)网格结构(b)环网格结构 (c) 混合结构(d)非规则结构图2 NOC的拓扑结构网络传输信息的能力主要依靠其拓扑结构。

拓扑结构除了对网络延迟、吞吐量、面积、容错以及功耗的极大影响外，还对路由设计策略和计算资源到网络结点的映射起着重要的作用。

目前还没有一个理论方案来确定最优的拓扑结构来实现任何一个给定的应用。

相对于规则拓扑，不规则拓扑构虽然能提高性能、降低功耗、减小面积，但同时可能产生版图设计、不均匀的线长等设计问题。

因此，决定有效的拓扑结构以平衡高层性能与细节的实现方法受到了微米或纳米级工艺的制约。

2.4 设计流程NOC设计分为计算资源结构和NOC结构的设计两部分。

NOC设计流程如图3所示。

首先进行计算资源结构设计，计算资源结构描述了应用系统的行为，计算资源单元实现系统的功能。

计算资源结构设计一般涉及两种模型---行为模型和计算资源结构模型。

行为模型被划分并映射到计算资源结构模型。

NOC结构的设计必须依照计算资源结构的设计。

1）通信的模型化和分析。

分析所有计算资源之间数据信息传输的特点，抽取传输信息的数量，信息单元的尺寸，通信的类型和速率。

在计算资源结构的仿真中，通过跟踪信息流可以获取通信的特点、要求，建立通信的模型。

2）拓扑结构与协议设计。

在建立的通信模型基础上设计拓扑结构和协议，目标是用尽可能少的网络资源实现计算资源之间的通信要求，同时要考虑系统的性能和扩展性。

这一步是NOC设计核心。

3）版图规划评估。

在NOC中，不是逻辑电路，而是互连结构主要影响着系统的功耗和面积。

芯片的版图规划评估是通过评估时钟周期上每个互连的延迟以及分析功耗、面积，为互连获得设计要求。

4）系统性能分析。

在仿真平台上（例如OPENNET），通过对计算资源结构的通信跟踪，仿真NOC 结构。

仿真结果可用于对不同设计的选择和完善系统的设计。

如果设计不能满足性能要求或仅有太小的性能富余，必须返回前2步。

5）NOC 逻辑与电路设计。

逻辑电路的行为由拓扑和协议的设计定义，通过硬件语言描述，并且综合。

图3 NOC 设计流程互连设计要求有好的线路和晶体管模型。

互连设计是分析的重点。

6）功耗、面积分析。

累加每一个活动的功耗，可计算出NOC的最大功耗；累加每一个设计部分，得到总的硅和金属使用的面积。

如果功耗和面积不能满足要求，必须返回选择不同的电路设计或重新进行版图规划，最坏情况下进行拓扑结构和协议的设计。

3 NOC协议3.1交换技术交换技术是按照某种方式动态分配传输线路和接口的资源。

交换技术包括两种主要类型，电路交换、包交换。

1）电路交换在发送数据前源端与目的端之间先建立链路，然后进行数据传输，数据传输结束后必须释放链路。

交换单元可以实现空分交换或时分交换。

典型的空分交换是crossbar。

电路交换的优点是在数据传输过程种不需要交换结点进行路由选择，传输延迟小，并且数据是按序到达目的端。

适合每次批量传输数据且实时性要求高的应用。

缺点是信道利用率低，建立和释放连接浪费额外时间，缺乏灵活性，不适合突发数据的传输。

2）包交换发送数据前后不需要建立和释放链路，每个包既携带数据又携带地址信息，独立地在每个经过的交换结点上进行路由选择。

包交换的优点是不需要建立和释放链路花费附加时间；在数据传输过程中动态分配带宽，信道利用率高，吞吐量高；对结点、链路故障具有容错能力。

适合突发数据的传输。

缺点是，在交换结点中存储整个包需要很大的缓存器，这将会增加NoC的面积成本（NoC交换结点相对于IP核，应该占用较小的面积）。

为了解决大的缓存器的面积问题，将包交换使用存储转发方式改进为虚通道和虫孔路由方式[7]。

3.2 路由策略路由是确定一个信息从源到目的的机制。

依据路由算法是否随网络通信量或拓扑自适应地调整变化，路由算法可以分为静态路由选择算法和动态路由选择算法两类。

NOC主要的静态路由选择算法有源路由算法和X-Y路由算法，源路由算法是由源结点指定包到目的结点的路由，X-Y路由遵循先按行走，再按列走；动态路由涉及动态分布机制，基于局部链路拥塞，能很好地适应网络状态的变化，但算法实现复杂、开销大。

3.3 流量控制在NoC领域，流量控制被特定用于端到端之间的传输协议的业务量。