“網(wǎng)絡就是計算機”，這是太陽微系統(tǒng)公司的John Gage在1984年提出的理論，被證明是非常有見地的。如今在SoC領域這個想法再次出現(xiàn)。在一個芯片中，相互通信的功能——不是通過簡單的電線，而是通過如交換機、協(xié)議轉換器、封裝器等復雜的網(wǎng)絡元件。這與1984年在一個機柜或房間中通過網(wǎng)絡進行通信的一組計算機沒太大區(qū)別。
在SoC出現(xiàn)之前，為了在一塊板子上從A連接到B，工程師們可以通過一堆電線來傳輸數(shù)據(jù)。最大的擔憂是管理電線長度，并確保A和B使用完全相同的協(xié)議進行通信，但僅此而已。真正的動作是在計算元素中。在這些珍貴的組件之間連接是一個簡單的設計任務。
但在過去的幾十年里，集成電路制造工藝技術、封裝與測試技術、設計方法學和EDA 工具等微電子相關技術始終保持著快速的發(fā)展。根據(jù)國際半導體技術發(fā)展路線圖（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）預測，到2024年每平方毫米集成的晶體管數(shù)目將達到90 億個。但是，全局互連線的性能提升程度明顯低于晶體管性能提升程度。受到亞閾值漏電流功耗、動態(tài)功耗、器件可靠性以及全局互連線等影響，通過提升單個處理器核的性能來提升系統(tǒng)整體性能已變得非常難以實現(xiàn)，同時芯片設計的難度和復雜度也在進一步增加。這個時候SoC就誕生了。SoC具有集成度高、功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點，已經(jīng)成為超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設計的主流方向。隨著片上系統(tǒng)SoC 的應用需求越來越豐富、越來越復雜，片上多核MPSoC已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢，同時MPSoC 上集成的IP核數(shù)量也將會按照摩爾定律繼續(xù)發(fā)展。
從電線到主動總線邏輯
隨著SoC能力的增長，將整個板甚至更大的系統(tǒng)整合到單個芯片上成為可能，所有這些都由一個中央處理單元（CPU）或處理器集群管理。每個CPU運行軟件來協(xié)調系統(tǒng)以處理需要軟件支持的靈活性的功能。提供處理器的Arm等公司的解決方案迅速興起，其他供應商也在跟進，包括CPU以外功能IP供應商。首先，通過提供外圍IP來處理許多接口協(xié)議，然后發(fā)展為用于無線通信、圖形處理、音頻、計算機視覺和人工智能（AI）這些專門的處理器。此外，還包括片上工作存儲器、緩存存儲器、到片外或片外DRAM的雙數(shù)據(jù)速率（DDR）接口等。
而且，還有許多很棒的功能可以集成到高級SoC中，但是它們如何通信呢？這里不能通過直接連接，因為整個芯片會被電線覆蓋。CPU和內存在確定下一步要服務什么方面會慢得無法想象。相反，“所有的交通都必須通過高速公路，并設有計量入口匝道?！比绻粋€IP想要與中央處理器通信，它必須等待輪到它進入高速公路。
現(xiàn)在的Bus總線不再只是一種愚蠢的電線。監(jiān)視正在進行的操作和下一步要允許的操作，二者是有邏輯的，此外，隊列支持的數(shù)據(jù)在以不同速度運行的域之間流動。流水線寄存器幫助跨越很大的距離，同時滿足時間限制。我們將其稱為“總線結構”，通過控制邏輯、多路復用技術、寄存器和先入先出的通信順序將連接編織起來。
總線體系結構的發(fā)展
既然有了總線結構的架構，就可以為不同的目的設想不同的架構了。高級微控制器總線體系結構（AMBA）家族本身就有多種風格，每一種都有自己的優(yōu)勢和限制。很可能，在一個復雜的SoC中需要幾個。但是還有另一種非常不同的技術——芯片上網(wǎng)絡（NoC），它在概念上非常不同，NoC并沒有緊密地耦合互連通信和物理傳輸，而是開辟了新的架構選項。
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。
還有另一個重要的考慮因素。典型的SoC現(xiàn)在將圍繞眾多第三方IP和一些集成商具有定制優(yōu)勢的自有IP構建。這其中優(yōu)勢有多大呢？競爭對手可以購買相同的第三方產(chǎn)品，這就稀釋了可能的差異化。然后，挑戰(zhàn)就變成了設計團隊如何有效地集成SoC。
我們確實有這樣做的空間。帶寬、吞吐量、服務質量（QoS）、功率、安全性和成本都由集成方案所決定。這些因素都受到已實現(xiàn)的通信架構的影響，很可能是一個NoC。最終，使芯片具有競爭力的是對IP和片上通信架構的謹慎選擇。