高效互連使復雜的SoC交付變得更容易，更可預測和更低成本。

片上系統（soc）正日益成為一種網絡，您可以在其中添加單獨的知識產權（IP）模塊。SoC IP模塊包括處理器、內存控制器、專用子系統和 I/O——這些模塊可以從互連IP中分離開來，并放入日益復雜的SoC分區。在不久的將來，當允許電子系統進行決策時，需要越來越復雜的SoC。

互連要處理SoC內部各種各樣的通信，是一種高效的IP模塊集成機制。互連是SOC內部可配置性最高的IP——通常在一個項目期間會多次更改，而且幾乎總是在不同項目之間變動。它在信息安全性和功能安全性方面也扮演著重要的角色，因為它承載了SoC的大部分數據，并且包含幾乎所有SoC內部長連線和系統級服務，包括服務質量（QoS）、可見性、物理感知和電源管理。互連能夠實現多處理器SoC緩存一致性，提升高級駕駛輔助系統（ADAS）汽車芯片和網絡SOC的性能與帶寬級別，而且能夠在長時間運行的消費類設備中實現超低功耗。

互聯IP必須不斷發展，以推動創新SoC應用于新興行業，如正在興起的人工智能（AI）和機器學習（ML） 應用，這類應用正推動數據中心自動化和自動駕駛方面的創新。

隨著工藝尺寸不斷縮小，soc互連變得更加關鍵。將芯片劃分為可復用IP的功能電路模塊，或稱為“芯粒（chiplet）”，不僅可以提高裸片的良品率，而且能在現今的16納米及以下工藝中增加更多功能。借助Chiplet集成方法，開發人員能夠將多家公司開發的裸片或具有特定功能（如內存和I/O）的芯片集成在單一封裝中。

什么構成了良好的互聯？

互連的大小通常約為整個SoC的10%，但它會顯著影響SoC的質量、性能和交付進度。與SoC總體預算相比，互連IP的初始許可成本相對較小，但是“低效”互連可能會導致進程、成本和規范問題。例如，如果互連不能在設定的目標性能關閉時序，SoC將無法滿足頻率規范，這可能導致設計失敗。

應用于多個SoC項目的高性能互連IP需要滿足多種標準，包括：

架構的靈活性-- 互連必須適應各種拓撲架構，以實現必要的靈活性。例如，互連架構必須具備樹狀結構（最適合于異構SoC）以及常規拓撲，包括網格、環狀和圓形（AI和網絡SoC所需要）。互連IP也必須能夠“向下擴展”以滿足IP子系統和SoC服務互連等項目的低端互連需求。

例如，僅具有角路由器交換的互連可能適用于高端網絡，但不適用于移動SoC，在移動SoC中，功耗、面積和延遲最小化是非常重要的。另一方面，缺乏角落路由器交換不利于交付高端服務器設計或人工智能/機器學習加速器 。同樣，能夠處理非相關性通信但不支持緩存一致性的互連就會限制緩存一致性SoC架構的選擇。協議轉換功能是指互連可以支持各種IP模塊通信協議，可以最大化設計中所選用的IP模塊。

性能——性能表現可分為三大類：

●頻率——如果互連不能達到目標頻率，就會限制SoC的性能。例如，如果處理器以4 GHz運行，而高速緩存一致性互連不能以2 GHz運行，則性能將受到限制。然而，并非SoC中的所有路徑都是相同的。擁有多種頻率域和速率自適應能力是至關重要的，這樣各個路徑可以在不同的頻率下運行。畢竟，當只有一些路徑需要以指定的最高頻率運行時，為什么要為整個互連支付高性能路徑的費用？

●延遲——延遲由數據包從啟動程序到目標IP模塊所需的周期數決定。它依賴于互連IP的效率、到達目的地的線路長度以及互連IP功能的物理位置。互連物理感知在16nm及以下的制程工藝中至關重要，因為必須在RTL（寄存器傳輸級別）階段盡早估計時序收斂，以避免在布局布線階段中出現問題。

延遲和頻率之間需要作一個權衡： 如果頻率高，則需要更多管道，這會增加延遲。對于延遲敏感的處理器到內存路徑，最小化延遲尤其重要。好消息是SoC中對延遲有苛刻要求的路徑相對較少，但是請記住，這些路徑上的額外延遲周期通常會成為系統級SoC性能的約束。路徑越長，用于生成路徑的線路越多，則必須添加更多管道來滿足時序限制。片上網絡（NoC）互連采用分布式交換，通常比采用集中交叉的混合總線模式具有更低的延遲。分布式仲裁進一步縮短了交換單元之間的路徑。并非所有網絡都具有延遲臨界性，所以互連應該為高延遲路徑提供靈活性，例如，僅在SoC的初始操作期間使用的I/O IP模塊。在SoC設計中，具有高延遲的路徑能力可以節省連線。

●帶寬/吞吐量——帶寬是給定路徑上數據傳輸的最大速率。吞吐量是指數據沿著互連路徑成功傳輸的量。吞吐量可能受到互連體系結構、實現拓撲和數據包協議的限制。有效互連能夠讓性能盡可能接近理論帶寬的性能;低效互連會造成瓶頸。一種能夠支持8位低帶寬連接到1024位高帶寬的互連——以及兩者之間的互連寬度——為設計人員提供最大靈活性的架構。

面積——硅在任何SoC設計中都是一個成本因素。一個有用的度量標準是，按照16nm制程標準，每顆SoC 中1平方毫米硅的成本通常為10美分。使用更少的電線和柵極以及更高效的互連拓撲可以節約成本。如果面積能減少超過5平方毫米，產量將提高，并能節約額外成本。由于面積效率高的互連通常占SoC面積的10%左右，因此，互連面積縮減30-50%，芯片級SOC就能少用幾平方毫米的硅。粗略地算，一個面積效率高的互連將在一個100平方毫米的SoC上節省大約3-5平方毫米，那么每顆SoC將節省30-50美分，這具體取決于生產效率。

功率——-在獨立的消費類或物聯網（IoT）設備中，功耗是必不可少的。在主動電源模式下，互連IP比CPU和GPU消耗更少的電量，但當任務完成時，這些可以快速關閉。事實上，對于大多數電池供電的系統來說，待機耗電量是電池壽命的決定因素。在沒有數據通信但時鐘處于打開狀態時，妥善管理互連功耗對空閑狀態的功耗（或待機功耗）至關重要。

對于大部分時間處于空閑模式的電池供電系統，需要一個低功耗的互連。這個互連IP必須通過三級時鐘門來實現功率控制策略，以便輕松創建多個電源域，在一個周期內啟動一個電源域，并實現低功率域交叉。對于16nm的互連功耗來說，一個合理的度量標準是每百萬個互連邏輯門的空閑功耗小于0.5mW。

功能安全性——關鍵性的應用必須符合嚴格的安全標準，如汽車市場上的ISO 26262標準。為滿足ISO26262中ASIL（汽車安全完整性等級）B、C和D的要求，互連IP實現要求具有彈性功能，以補償系統級和隨機性錯誤，達到所需的故障檢測和保護等級。為了滿足最高級別的ASIL D ，互連IP需要網絡接口單元邏輯復制、ECC（糾錯碼）和/或奇偶校驗位數據路徑保護以及數據包完整性檢查。互連IP供應商還必須能夠提供功能安全手冊，以及相應的分析和操作資料，以證明互連IP適合在符合ISO26262標準的系統中使用。沒有這樣的文件和操作資料，就很難在最終的電子系統中鑒定半導體元器件。

信息安全性——功能安全可靠性可以保護soc免受制造和環境錯誤的影響，而信息安全性可以保護關鍵性芯片免受人為攻擊。有效的互連必須能夠實現防火墻，該防火墻通常由設計團隊配置的。當數據從SoC的某一區域傳輸到另一區域時，必須提供區域隔離功能，以實現安全性。這些互連硬件特性應與整個系統級安全方案無縫集成并增強其安全性。

生產效率——高效的互連工具可加速部署，并提升SoC設計進程的可預測性。互聯IP軟件工具應包括：

• 針對客戶、市場和設計意圖的SoC需求和目標輸入。
• 架構優化的設計探索。
• 早期SOC和互連分析的多級建模功能。
• 針對各種SoC拓撲生成互連RTL。
• 早期時序收斂估計的物理感知。
• 自動功能驗證，以便及時進行NoC驗證。
• 片上可觀測性和調試以實現SOC可見性。
• 自動FMEDA輸出，符合ISO 26262標準，可加速功能安全分析。

圖1。片上互連必須滿足各類芯片的不同要求。（來源：Arteris IP）

IP和電子設計自動化（EDA）產品的生態系統意味著支持ARM、Synopsys和Cadence等公司的多種IP協議。它還意味著與領先和初創EDA供應商的仿真、模擬、驗證、功能安全、建模以及布局繞線工具的集成。世界級的互連生產效率軟件以及與其它IP和EDA工具的集成可以降低SoC項目的研發成本和進度時間。

IP成本計算

雖然互連IP只占SoC面積的10%，但它可能導致延遲，甚至錯過系統設計窗口。最好的情況便是，次優級SoC可能會導致時序問題、引發阻止SoC運行的死鎖、造成SoC子系統的數據匱乏、帶寬瓶頸，以及功能缺失，這會增加不可預見解決方案的研發費用和延遲。因此，高性能和經過驗證的互連對SoC設計項目的成功起著至關重要的作用。

結論

高效互聯IP開發需要多年的努力，可能需要花費7千萬至1億美金。走捷徑會導致失望，并花費大量業務成本。為單個芯片設計互連是一個挑戰，但提供一個適用于多個SoC設計的廣泛互連解決方案需要資金、規模和承諾。組建并留住IP團隊可能會遇到挑戰，他們必須是跨學科人才（架構師、硬件工程師、軟件開發人員和驗證工程師），并在開發項目期間保持多年的合作。

有效的互連使交付復雜的SoC變得更容易、更可預測，同時降低設計成本。SoC項目總監只需要選擇合適的互連。