SoC（System on-chip）與NoC（network-on-chip）

NoC是相對于SoC的新一代片上互連技術，要深入了解NoC必須深刻認識SoC，故本文組織結構為：

l SoC架構

l SoC的局限性

l SoC設計流程

l NoC架構

l NOC架構優(yōu)勢

l NoC 和 SoC 的區(qū)別

一.SoC基本架構

典型的系統(tǒng)級芯片結構包括以下部分：

·至少一個微控制器（MCU）或微處理器（MPU）或數(shù)字信號處理器（DSP），但是也可以有多個處理器內核;

·存儲器可以是RAM、ROM、EEPROM和閃存中的一種或多種;

·用于提供時間脈沖信號的振蕩器和鎖相環(huán)電路;

·由計數(shù)器和計時器、電源電路組成的外設;

·不同標準的連線接口，如USB、火線、以太網(wǎng)、通用異步收發(fā)和序列周邊接口等;

·用于在數(shù)字信號和模擬信號之間轉換的ADC/DAC;

·電壓調理電路及穩(wěn)壓器。

片上系統(tǒng)通訊架構（System on chip， SoC）SoC整體架構圖如下：

二.SoC的局限性

目前，SoC通訊架構的設計相對比較成熟。大部分芯片公司芯片制造都采用SoC架構。然而，隨著商業(yè)應用開始不斷追求指令運行并存性和預測性，芯片中集成的核數(shù)目將不斷增多，基于總線架構的SoC將逐漸難以不斷增長的計算需求。其主要表現(xiàn)為：

1、可擴展性差。SoC系統(tǒng)設計是從系統(tǒng)需求分析開始，確定硬件系統(tǒng)中的模塊。為了使系統(tǒng)能夠正確工作，SoC中各物理模塊在芯片上的位置是相對固定的。一旦在物理設計完畢后，要進行修改，實際上就有可能是一次重新設計的過程。另一方面，基于總線架構的SoC，由于總線架構固有的仲裁通信機制，即同一時刻只能有一對處理器核心進行通信，限制了可以在其上擴展的處理器核心的數(shù)量。

2、平均通信效率低。SoC中采用基于獨占機制的總線架構，其各個功能模塊只有在獲得總線控制權后才能和系統(tǒng)中其他模塊進行通信。從整體來看，一個模塊取得總線仲裁權進行通信時，系統(tǒng)中的其他模塊必須等待，直到總線空閑。

3、單一時鐘同步問題。總線結構要求全局同步，然而隨著工藝特征尺寸越來越小，工作頻率迅速上升，達到10GHz以后，連線延時造成的影響將嚴重到無法設計全局時鐘樹的程度，而且由于時鐘網(wǎng)絡龐大，其功耗將占據(jù)芯片總功耗的大部分。

三.SoC設計流程

一個完整的系統(tǒng)級芯片由硬件和軟件兩部分組成，其中軟件用于控制硬件部分的微控制器、微處理器或數(shù)字信號處理器內核，以及外部設備和接口。系統(tǒng)級芯片的設計流程主要是其硬件和軟件的協(xié)同設計。

由于系統(tǒng)級芯片的集成度越來越高，設計工程師必須盡可能采取可復用的設計思路。大部分現(xiàn)今SoC都使用預定義的IP核（包括軟核、硬核和固核），以可復用設計的方式來完成快速設計。在軟件開發(fā)方面，協(xié)議棧是一個重要的概念，它用來驅動USB等行業(yè)標準接口。在硬件設計方面，設計人員通常使用EDA工具將已經(jīng)設計好（或者購買）的IP核連接在一起，在一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE）下集成各種子功能模塊。

下圖不是系統(tǒng)級芯片的設計流程示意圖。

芯片設計在被送到晶圓廠進行流片生產(chǎn)之前，設計人員會采取不同方式對其邏輯功能進行驗證。仿真與驗證是SoC設計流程中最復雜，最耗時的環(huán)節(jié)，約占整個芯片開發(fā)周期的50%~80% ，采用先進的設計與仿真驗證方法已成為SoC設計成功的關鍵。

四、NoC架構

Noc的發(fā)展是以SoC為基礎。SoC通常是指在單一芯片上實現(xiàn)的數(shù)字計算機系統(tǒng)，通過總線完成其中各模塊之間的交互，但隨著半導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內部通信的速度。90年代NoC技術的提出也是因為借鑒了并行計算機的互聯(lián)網(wǎng)絡和以太網(wǎng)絡的分層思想，二者的相同點有：支持包交換、路由協(xié)議、任務調度、可擴展等。NoC更關注交換電路和緩存器的面積占用，在設計時主要考量的方面也是這些。

NoC將宏觀網(wǎng)絡的通訊措施應用于芯片上，每個核當做一個獨立的單元，IP核經(jīng)過網(wǎng)絡接口與特定的路由器相連。將IP核之間的通信轉換為路由器與路由器的通信。通常情況下的NoC架構如下圖所示：

R為路由節(jié)點，IP為計算節(jié)點。

傳統(tǒng)的NoC架構主要由路由器節(jié)點、IP核、資源網(wǎng)絡接口、通道組成。

1、資源節(jié)點：主要包含計算節(jié)點和存儲節(jié)點。計算節(jié)點包含處理器即IP核（CPU、DSP等），存儲節(jié)點包含ROM、RAM、DRAM、SDRAM等

2、通信節(jié)點：即路由節(jié)點或路由器，主要負責完成IP核之間的數(shù)據(jù)通信任務。NoC中資源節(jié)點產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包后，會通過特定的接口發(fā)送到源路由器中，源路由器會讀取數(shù)據(jù)包的頭微片中的地址信息，通過特定的路由算法計算出最佳路由路徑，從而樹立可靠的傳輸?shù)侥康墓?jié)點，最終由目的IP核接收此信息。

3、資源網(wǎng)絡接口：其功能就是作為通信節(jié)點與功能節(jié)點之間的接口。主要功能有完成數(shù)據(jù)包的封裝與解封裝，在源節(jié)點的資源網(wǎng)絡接口中將原地址信息以及目的地址信息等封裝到數(shù)據(jù)包的頭微片中；在目的節(jié)點的資源網(wǎng)絡接口中將原地址信息以及目的地址信息等刪除。

4、通道：實質為雙向金屬鏈路，用以保證節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸。分為內部通道和外部通道，內部通道為資源節(jié)點和通信節(jié)點之間的金屬鏈路，外部通道指通信節(jié)點之間的金屬鏈路。

五.NOC架構優(yōu)勢

1、良好的可擴展能力。一方面，相比于SoC架構，不在受限于總線架構，可以擴展任意數(shù)量的計算節(jié)點。另一方面，需要對系統(tǒng)功能進行擴展時，只需要將設計好的功能模塊通過資源網(wǎng)絡接口植入網(wǎng)絡，無需重新設計網(wǎng)絡整體架構。

2、較高的通信效率。一方面NoC將IP核之間的數(shù)據(jù)傳輸演變成為路由器之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)，IP核節(jié)約了一部分的計算資源。另一方面避免了總線架構同一時刻只能有一對通信節(jié)點進行通信的問題，可以實現(xiàn)同一時刻多對節(jié)點通信。

3、功耗。NoC中采用全局異步局部同步的時鐘機制，其功耗開銷遠低于SoC。NoC中局部模塊運用同步時鐘域，而全局上采用異步時鐘，降低了由于全局時鐘同步所帶來的動態(tài)開銷，同時，NoC中的時鐘樹設計復雜度也低于SoC。

4、數(shù)據(jù)傳輸可靠性。隨著集成電路特征尺寸的不斷減小，電路規(guī)模的不斷增大，互連線的寬度和間距也在不斷地減小，線間耦合電容相應增大，長的全局并行總線會引起較大的串擾噪聲，從而影響信號的完整性以及信號傳輸?shù)恼_性。同時，互連線上的延遲將成為影響信號延遲的主要因素，總線結構全局互連線上的延遲將大于一個時鐘周期，從而使得時鐘的偏移很難管理。

六.NoC 和 SoC 的區(qū)別

SoC：System on Chip，中文稱為片上系統(tǒng)，主要是針對 ASIC 或者 chip 來講的。在 ASIC 設計的早期，由于制造工藝和性能等的約束，大部分芯片都單純地實現(xiàn)某個特定功能，如處理器內核、總線、內存控制器、藍牙等都由各自獨立的芯片分別實現(xiàn)，處理器之間的通信也以多顆芯片互連的方式實現(xiàn)。

隨著制造工藝的提升，以及設計能力的增強，單顆 ASIC 的功能越來越全面和強大，在一顆芯片內完全可以實現(xiàn)諸如處理器內核、總線、內存控制器、藍牙等所有的功能。同時，ASIC 規(guī)模增大導致設計愈來愈復雜，因此，以 IP 核互連為核心的設計方法學應用而生。

這樣，就出現(xiàn)了在一顆芯片里集成了大量的處理器內核、總線、控制器等 IP，而處理器內核數(shù)量也由曾經(jīng)的單核增大到多核、眾核。在這種情況下，設計方法學完全不同于以往 ASIC 的設計方法學，因此，誕生了 SoC 的概念，以和 ASIC 進行區(qū)別。不嚴格地說，一顆 SoC 可以實現(xiàn)以前多顆 ASIC 構成的系統(tǒng)。

NoC：Network on Chip，中文稱之為片上網(wǎng)絡。隨著 SoC 技術的發(fā)展，芯片內部的 IP 核越來越多，有可能在一顆芯片中集成了數(shù)以百記的處理器內核（包括同構處理器內核和異構處理器內核）、數(shù)以千計控制器 IP 核等等，那么這種情況下 IP 核之間的互聯(lián)就成為 SoC 性能一個重要組成部分。

而 NoC 技術的誕生就是為了能夠讓 IP 核之間的通信能夠實現(xiàn)高效、高吞吐量、低功耗的目的。因此 NoC 技術主要研究對象就是各種互連方法、互連結構，以及 IP 核互聯(lián)網(wǎng)絡中路由算法。NoC 技術目前還處于學術研究階段，大部分學術論文里都是仿真結果，工業(yè)界也有應用實例，但是比較少。