从SOC到NOC的集成电路设计技术发展

遵循摩尔定律的预言,半导体集成电路工艺技术持续高速向深亚微米工艺发展,大规模集成电路设计技术是发展过程中需要解决的关键问题.基于片上总线的SOC设计技术解决了大规模集成电路的设计难点,但是片上总线的应用带来了可扩展性差、平均通信效率低等问题.近几年研究提出全新的集成电路体系结构NOC,是将计算机网络技术移植到芯片设计中,从体系结构上彻底解决了SOC设计技术存在的问题.因此,NOC将成为集成电路下一代主流设计技术.     

基于博弈论的片上总线仲裁机制研究

随着半导体工艺技术的发展,芯片内部集成的功能模块越来越多.各功能模块通过总线方式连接,因而片上总线仲裁架构成为制约芯片性能提高的瓶颈.通过改善片上总线仲裁器设计,能有效缓解由于各功能模块争用总线资源而引起的芯片性能下降.本文提出一种基于博弈论的片上总线仲裁机制,利用求解多人博弈问题的方法解决总线争用问题,并以片上系统的性能指标为约束条件,得到解决总线争用问题的一般模型.最后,通过仿真及实际硬件平台对算法进行测试,结果表明应用本算法的指令处理速度比应用固定优先级算法快236%,比应用轮换算法快53%.     

片上网络容错路由算法研究

随着集成电路制造工艺的不断发展,集成在芯片上晶体管的数量也随之增多,已超过几十亿晶体管的规模,因此芯片上可以集成越来越多的IP核。随着芯片中IP核数量的增多,基于总线结构的片上系统(System-on-Chip,So C)已不能满足数据的通信要求,为了解决这个问题,片上网络(Network-on-Chip,No C)作为一种全新的互联结构被提出来。其核心是把网络设计的思想移植到芯片设计中,将片上资源互连起来,并将计算与通信分离。片上网络具有很好的空间可扩展性,采用的全局异步一局部同步的通信机制使并行通信效率更高。NOC带来了一种全新的片上通信方式,它的引入有利于提升可重用设计、解决通信瓶颈和全局同步等难题。本文在研究片上网络结构的基础上,针对片上网络多播通信的特点提出了一种多播容错路由算法。     

片上互连的发展趋势

目前集成电路设计方法学的主要目标已经从如何减少芯片面积转变到如何提高设计效率。片上互连作为基于平台的SoC(片上系统)设计方法学的核心部件越来越受到重视。回顾了PC架构总线的发展历史,认为串行、分层和采用数据协议是此类计算机系统互连发展的方向;分析了现有的两种具有代表性的片上总线,认为简单、灵活、低功耗是片上互连的特点,指出现有片上总线在全局同步时钟、数据吞吐量等方面的问题。最后介绍了片上网络提出的背景、现有成果及发展方向。     

片上网络拓朴优化:在离散平面上布局与布线

微系统芯片(System-on-Chip,SoC)发展到今天,集成密度指数增长和芯片面积的急剧膨胀使得全局连线的延时上升,可靠性下降,成为集成电路的设计瓶颈.片上网络(Network-on-Chip,NoC)是解决整个芯片上数据有效传输的结构之一,以片上网络为基础通信架构的微系统芯片称为片上网上系统芯片(System-on-Network-on-Chip,SoNoC).微系统芯片内通信模式兼有随机性和确定性,应该根据特定应用的通信特征设计片上网络.本文在确定SoNoC设计流程的基础上,根据SoNoC的通信特征,选择了合适的离散平面结构,对SoNoC的运算及控制等模块进行布局、对模块间的通信依赖关系进行布线,发展出FRoD(Floor-plan and Routing on Discrete Plane)算法,以自动生成片上网络的拓扑结构.该算法定义了离散平面的一般表示方法,并在四种典型的离散平面上使用不同规模的随机系统完成了系列实验.为了处理系统和网络之间的耦合关系,逐点分裂的布局算法可以逐步学习和适应系统的通信需求,同时优化系统的执行时间和通信能量,在运行随机任务流图的模拟系统上与随机布局结果相比可以节省30%左右的通信能量,20%左右的系统通信时间.串行、并行和串并混合的布线算法使用最短路径把通信关系分布在离散平面的通道上,使不同的通信关系尽量复用网络通道,与全连接网络相比可以节省10%到30%的面积代价.     

SoC设计中的片上通信体系结构研究

以超深亚微米工艺和IP核复用技术为支撑的系统芯片(SoC)技术,是目前超大规模集成电路和嵌入式电子产品设计的主流.SoC中各IP核之间的片上通信体系结构是SoC设计关键技术之一,同时对SoC的性能起着至关重要的作用.提出一种SoC中的混合片上通信体系结构,该体系结构将传统的共享总线与片上网络相结合,既保留了片上共享总线面积小的优点,又具有片上网络的并行通信的优点.此外,该混合片上通信还可以扩展到二维网络.     

层次化片上网络结构的簇生成算法

半导体工艺的发展及嵌入式电子产品复杂度的不断增长,系统芯片互连结构的吞吐量、功耗、信号完整性、延迟以及时钟同步等问题更加复杂.基于总线的片上通信结构不足以提供良好的通信能力,出现了以片上网络为核心的通信结构.本文提出了层次化片上网络设计中,根据实现工艺和应用需求,进行层次划分的簇生成算法.实验表明,通过使用该算法,能够有效的分配系统芯片的内部通信,提高系统性能,降低硬件实现开销,同时满足一定的服务质量需求.     

异步式逻辑保障片上网络传输可靠性的研究

随着Si技术的持续发展,片上系统(SoC)的规模和复杂度的增长给传统的片上互连,如总线结构,带来了前所未有的挑战。片上网络[1-2]是片上系统的一种新设计方法,是目前公认应对这种挑战较为有效的解决方案。半导体工艺进入深亚微米时代后,片上网络的可靠性也越来越成为人们关注的问题。将在研究如何应用异步式逻辑保障片上网络互连数据传输的可靠性和服务质量,提出了一个异步式片上网络的架构。通过实验证明,异步式逻辑将极大提高集成电路在应对电源不稳定性、导线间串扰、电磁干扰(EMI)、时钟偏斜和软错误方面的可靠性。采用全局异步局部同步的时钟机制,该方法带来了一种全新的片上通信方法,显著改善了传统总线式系统的性能。     

片上网络取代片上总线

法国高新企业Arteris公司日前公布了一种可取代传统片上总线系统的新型解决方案，即可适应当今许多复杂单片系统（SoC）设计所采用的多个异步时钟的片上网络（NOC）系统。NOC解决方案为片上通信提供了一种全新的联网手段，据称其性能大约为传统总线系统的三倍。SoC解决方案可与专用片上总线架构及商用片上总线——如ARM公司的AMBA（高级微控制器总线架构）及Sonic公司的SiliconBackplane等相媲美。     

一种面向嵌入式应用的片上系统:腾跃-1

本文介绍了面向嵌入式应用的片上系统芯片:腾跃-1的设计和实现技术.该芯片包括32位嵌入式RISC微处理器内核、通用存储器控制器、LCD控制器、片上总线和各种外围设备.微处理器内核采用自主设计的指令集体系结构.该芯片已经在中芯国际0.18μm工艺上通过验证,主频300MHz@1.8V,可以应用于信息安全领域的身份认证和数据加密等应用.本文最后对芯片的进行了性能评测.     

基于通讯的NoC设计

近年来，一种全新的集成电路体系结构——Network on Chip（NoC）已经成为徽电子学科研究的热点佃题之一，其核心思想是将计算机网络技术移植到芯片设计中来，从体系结构上彻底解决片上通讯的瓶颈问题。文章提出了一种基于通讯的NoC设计方法，通过监控和协调NoC的网络通讯来获得更好的性能．并总结了实现该设计方法所必须研究的关键技术。     

NoC:下一代集成电路主流设计技术

从SoC的定义出发,依据“PC参考系准则”、“十年变革规律”、“半导体技术发展规律”等基本规律,提出并论证了“NoC是下一代集成电路主流设计技术”的观点,概括了NoC基础理论体系的主要研究领域;简要分析了集成电路NoC体系结构领域可能的关键技术。NoC技术从体系结构上彻底解决了SoC的总线结构所固有的三大问题:由于地址空间有限而引起的扩展性问题,由于分时通讯而引起的通讯效率问题,以及由于全局同步而引起的功耗和面积问题。     

一种系统芯片的功能测试方法

本文通过对一款系统芯片（System on Chip,SoC）——“成电之芯”的功能测试平台的搭建,介绍了一种实现系统芯片功能测试的方法。     

Performance Analysis for MPEG‐4 Video Codec Based on On‐Chip Network

In this paper, we present a performance analysis for an MPEG‐4 video codec based on the on‐chip network communication architecture. The existing on‐chip buses of system‐on‐a‐chip (SoC) have some limitation on data traffic bandwidth since a large number of silicon IPs share the bus. An on‐chip network is introduced to solve the problem of on‐chip buses, in which the concept of a computer network is applied to the communication architecture of SoC. We compared the performance of the MPEG‐4 video codec based on the on‐chip network and Advanced Micro‐controller Bus Architecture (AMBA) on‐chip bus. Experimental results show that the performance of the MPEG‐4 video codec based on the on‐chip network is improved over 50% compared to the design based on a multi‐layer AMBA bus.     

基于包-电路交换的片上网络回退转向路由算法

采用包-电路交换的片上路由器,链路的建立通过发送请求包完成,而数据的传输则采用电路形式。传统的路由算法已经不能很好地适应基于包-电路交换的片上网络(NoC)新特性。该文根据包-电路交换的NoC的特点,提出了一种新的路由算法回退转向(RT)路由算法,以改善NoC性能。实验结果表明,与动态XY路由算法相比,回退转向路由算法使得网络平均吞吐量和平均包延迟最大分别改善26.7%和11.6%。     

一种片上系统(SOC)时钟同步设计方法

SoC设计很大程度上依赖于IP核的可重用性。由于各IP核中时钟延时的不同，要将IP核集成到一个同步SoC中时钟分布变得很难。本文介绍了一种SoC时钟同步设计方法，这种方法将可调节延时的时钟电路插入在时钟分布网络中．以取得时钟边沿的匹配和同步。使用可调节电路进行时序调整，减少了设计迭代时间，节约了设计成本。     

一种安全SoC芯片的物理设计

本文介绍了一种安全SoC芯片架构,描述了物理设计的指标要求及其在0．13umGSMCCMOS工艺上的物理设计,重点阐述了物理设计的中的3个关键技术——时序收敛设计、低功耗设计以及IO规划设计,并探讨了安全芯片物理设计上的自身安全性设计考虑。通过签核级的分析,该芯片最终满足了指标要求。该芯片包含36个时钟域,4种低功耗工作模式,约有26万个标准单元,72个宏模块,130个pad,合计约560万个逻辑等效门,芯片面积5．6mm×5．6mm。     

片上网络拓扑结构的研究

随着SoC体系结构设计复杂度的提高,传统的总线结构已成为IP核之间通信的瓶颈。为了满足大规模集成电路发展对扩展性、能耗、面积、时钟异步、重用性、QoS等方面的需求,新的设计方法—片上网络(NoC)应运而生,它是对原有设计模式的一次革新。本文分析了NoC的技术特点以及在该领域中的关键技术,详细地对NoC中常见的拓扑结构进行了分类研究,并指出了每种拓扑结构中的优点与不足;然后通过分析每种拓扑结构的性能参数,从而对其性能进行综合的比较。     

Deadlock free routing algorithm for minimizing congestion in a Hamiltonian connected recursive 3D-NoCs

Network on Chip (NoC) has been proposed as a solution for addressing the challenges in System on Chip (SoC) design. Designing a topology and its routing schemes are vital problems in a NoC. One of the major challenges that designers face today in 3D integration is how to route the data packets within a layer and across the layers in a scalable and efficient manner. In any 3D topology, minimizing the amount of data packet transmissions during the routing is still an open problem. Any efficient traditional routing schemes should avoid deadlocks and minimize network congestion from a source node to a destination node.     

系统芯片中AMBA总线串扰故障的自测试方法

系统芯片(SoC)技术的发展使得芯片内总线长度大大增加；芯片速度按照摩尔定律成倍提高(高达GHz)，总线间的串扰(Crosstalk)现象也日益严重，因此关于串扰的故障模型和自测试技术越来越受到关注。本文利用最大侵扰故障MAF(Maximal Aggressor Fault)模型，提出了一种SoC芯片中总线串扰故障的自测试方法。利用该方法，SoC芯片中地址、数据和控制总线的串扰故障均得到了测试，实验结果也表明其硬件开销较其它方案大大降低。