邁向多處理器系統(tǒng)級(jí)芯片時(shí)代的片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    stnoc是一項(xiàng)非常先進(jìn)的低成本片上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因?yàn)槟軌蛱峁﹥?yōu)化的結(jié)構(gòu)、出色的性能和模塊化設(shè)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)在實(shí)現(xiàn)多處理器系統(tǒng)級(jí)芯片上發(fā)揮重要作用。stnoc拓?fù)?spidergon)基于三個(gè)基本組件：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)接口、一個(gè)帶少量緩存的高性能蟲(chóng)洞路由器和一個(gè)物理通信鏈路。spidergon采用類似于osi的由四個(gè)網(wǎng)絡(luò)層組成的通信協(xié)議棧：物理層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。

    系統(tǒng)級(jí)芯片(soc)技術(shù)為開(kāi)發(fā)新的先進(jìn)的工程產(chǎn)品和市場(chǎng)構(gòu)想帶來(lái)了令人興奮的機(jī)會(huì)。摩爾定律表明，cmos的集成度將會(huì)連續(xù)不斷地提高。因此，提供新的設(shè)計(jì)方法和工具，滿足日益提高的系統(tǒng)復(fù)雜性、優(yōu)異的性價(jià)比和產(chǎn)品上市時(shí)間短的需求，是擺在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化業(yè)者面前的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。例如，半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)發(fā)展路線圖組織估計(jì)，到2007年，多處理器系統(tǒng)級(jí)芯片(mpsoc)將集成多達(dá)數(shù)十億個(gè)頻率高達(dá)幾個(gè)ghz、工作電壓低于1v的晶體管。mpsoc包括多個(gè)存儲(chǔ)組件、通用cpu和專用內(nèi)核（如數(shù)字信號(hào)處理器或超長(zhǎng)指令字內(nèi)核）等處理器單元和嵌入式硬件(如fpga或音視頻編***等專用知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊)，這些組件通過(guò)一個(gè)復(fù)雜的通信結(jié)構(gòu)相互連接在一起。

    圖1：iso-osi參考模型。

    為了解決soc日益提高的復(fù)雜性問(wèn)題，傳統(tǒng)的片上總線架構(gòu)必須不斷地改進(jìn)。這意味每個(gè)ip模塊的總線接口必須經(jīng)常修改，而這會(huì)造成新的soc解決方案上市時(shí)間延長(zhǎng)。此外，盡管深亞微米技術(shù)提高了金屬層的數(shù)量，但是典型金屬線的阻容延時(shí)也隨每一代制造工藝而提高。因?yàn)樽枞菅訒r(shí)、芯片工作頻率、裸片大小和普通互連線的共同影響，soc延時(shí)、功率和面積等各項(xiàng)要求中片上總線的影響最大。

    片上網(wǎng)絡(luò)模型

    雖然長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)片上光通信技術(shù)的前景很好，但就中短期而言，業(yè)內(nèi)一致看好全新的片上互連架構(gòu)，這種叫做片上網(wǎng)絡(luò)(noc)的技術(shù)能夠降低soc的價(jià)格和功耗，并能提高系統(tǒng)的性能和可伸縮性。noc技術(shù)以成本低廉的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分組架構(gòu)取代了傳統(tǒng)的總線架構(gòu)，分組架構(gòu)整合了一個(gè)類似開(kāi)放系統(tǒng)互連(osi)的分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。如圖1所示。

    協(xié)議層通過(guò)詳細(xì)定義的接口相互作用，為編程人員提供了一個(gè)通信框架的抽象概念。協(xié)議棧隱藏了下面的物理層的深亞微米技術(shù)問(wèn)題，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)如服務(wù)質(zhì)量機(jī)制得以高效實(shí)現(xiàn)。在這種設(shè)計(jì)流程中，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的ip模塊經(jīng)過(guò)配置，可以通過(guò)自己的noc接口與其它soc組件通信。

    自2000年起，很多科研院所提出了各種各樣的創(chuàng)新的片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這些研究機(jī)構(gòu)包括bologna、kaist、kth、lip-6、mit、ucsd、manchester、stanford、tampere和technion以及飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室、意法半導(dǎo)體和vtt技術(shù)研究中心等工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室。雖然當(dāng)前的研究報(bào)告聲稱，新的片上網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)未來(lái)的mpsoc極具吸引力，但是有很多細(xì)節(jié)問(wèn)題還尚未解決。例如，選擇適合的拓?fù)�、路由選擇和流量控制策略、隊(duì)列管理策略、數(shù)據(jù)包/消息格式和端到端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類型。

    圖2：stnoc實(shí)現(xiàn)iso-osi協(xié)議層的方法。

    因?yàn)闇p少了網(wǎng)絡(luò)緩存數(shù)量，數(shù)據(jù)包的延時(shí)與源端和目的端之間的距離無(wú)關(guān)，蟲(chóng)洞路由(wormhole routing)廣泛用于noc通信。數(shù)據(jù)包被分解成流量控制單位(flit)，然后，流量控制以一個(gè)一個(gè)的flit為單位運(yùn)行。像iso-osi參考模型一樣，noc設(shè)計(jì)采用了一個(gè)普通的通信分層方法。

    1. 物理層是指?jìng)鞑ズ妥儞Q信息的電線和電路(驅(qū)動(dòng)器、中繼器和布線)；

    2. 數(shù)據(jù)鏈路層能確保即使在物理層不可靠的情況下也能可靠地傳輸數(shù)據(jù)，并處理媒介訪問(wèn)問(wèn)題(共享或競(jìng)爭(zhēng))；

    3. 網(wǎng)絡(luò)層與拓?fù)浜吐酚蓹C(jī)制相關(guān)；

    4. 傳輸層負(fù)責(zé)端到端服務(wù)和數(shù)據(jù)分段與重組；

    5. 最后，應(yīng)用層作為適配層起到揭露硬件及操作系統(tǒng)的調(diào)用并實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的作用，例如，通過(guò)適合的并行編程模型，分布式共享內(nèi)存或消息傳遞。

    st片上網(wǎng)絡(luò)方法

    st的片上網(wǎng)絡(luò)(stnoc)方法遵循普通的片上網(wǎng)絡(luò)方法。通過(guò)采用規(guī)則的拓?fù)洌诰騣p的重復(fù)使用率，利用模塊化方法以及網(wǎng)絡(luò)分層實(shí)現(xiàn)的多個(gè)抽象層，st的方法可望為現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)