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NoC基础研究

周干民  
【摘要】:随着半导体工艺技术的发展,集成电路设计者能够将越来越复杂的电路功能集成到单硅片上,并最终在20世纪90年代中期开发出SoC(System on Chip,系统芯片)。SoC代表着集成电路向集成系统转变的大方向。SoC通常指在单一芯片上实现的数字计算机系统。该系统应包含两个基本部分:硬件部分和软件部分(主要指操作系统)。SoC是在ASIC的基础上发展起来的电路,又与ASIC完全不同,具有很多独特的优点,是当代集成电路体系结构的主流。 总线结构是SoC的主要特征。总线由于可以提供高性能的互连而被广泛运用。然而随着半导体工艺技术的持续发展,出现了一些与总线相关的问题,主要表现为下面两个方面: (1) 有限地址空间和无法支持两对及以上用户同时通讯等结构性问题 随着电路规模越来越大,片上集成的单元越来越多,数据处理量也越来越大,总线结构的可扩展性差的问题就越来越突出:虽然总线可以有效地连接多个通讯方,但地址资源总是有限的。有限的地址资源将成为扩大电路规模的瓶颈。另外虽说总线由多用户共享,但一条总线是无法支持一对以上的用户同时通讯的,传统总线结构的时间资源利用率是很低的。 (2) 单一时钟同步问题 总线结构要求全局同步,但是随着工艺特征尺寸越来越小,工作频率迅速上升,达到10GHz以后,连线延时造成的影响将严重到无法设计全局时钟树的程度。而且由于时钟网络的的庞大,其功耗将占据芯片总功耗的大部分。由单一系统时钟同步全芯片的工作将极其困难。 因而,1999年左右几个研究小组提出了一种全新的集成电路体系结构——NoC(Network on Chip),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总线架构带来的问题: (1) NoC不仅具有良好的空间可扩展性,还提供了很好的并行通讯能力,势必将成为替代总线通讯方式的一种理想的解决方案; (2) NoC以分组交换作为基本通讯技术,采用全局异步一局部同步(Globally Asynchronous Locally Synchronous,GALS)的通讯机制:每一个资源节点都工作在自己的时钟域,而不同的资源节点之间则通过通讯节点进行异步通讯,从而很好地解决了单一时钟同步的问题。 目前,NoC尚处于早期研究阶段,还没有任何使用NoC概念研制的真实系统。但是,从计算机发展的历史可以看到,从单机到网络的发展是必然的趋势,NoC必将是SoC之后的下一代主流技术。现在大力开展NoC的基础理论研究是十分必要的。 本论文研究NoC的基础理论问题,尤其是网络分配问题和嵌入式接口问题。


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