管理现代 SoC 设计中的性能

文摘 2024-11-09 06:00 上海

NoC 架构提供可适应的数据路径，可在 IP 块之间动态路由信息，从而减少延迟并提高能源效率。

随着汽车、消费电子、电信和人工智能 (AI) 等行业对更高处理能力、效率和可扩展性的追求，片上系统 (SoC) 设计已迅速发展以满足这些需求。随着现代 SoC 的复杂性不断增加，设计人员面临着管理越来越多互连 IP 块的挑战，同时还要确保无缝通信和最佳系统性能。在保持高效数据流和满足各种要求的同时平衡这些元素已成为 SoC 设计中的一个迫切问题。

SoC 设计日益复杂，导致传统互连方法难以扩展，从而导致性能瓶颈和更高的功耗。随着数据流量的增加，延迟和低效率会给系统性能带来压力。此外，随着设计的发展，管理线路密度和优化芯片面积变得更具挑战性。传统通信系统需要大量线路来处理不断增加的数据负载，使路由复杂化并使时序收敛更难实现。平衡性能、功率和面积 (PPA) 要求变得越来越困难，这凸显了对更高效解决方案的需求。

在多核 SoC 中，保持缓存一致性和管理内存子系统带来了额外的困难，尤其是当更多处理器和加速器需要高效访问和共享数据时。确保数据一致性，同时尽量减少流量和延迟，对于防止性能下降至关重要。此外，还需要集成来自各种来源的 IP 块、管理数千个寄存器并同步硬件和软件接口。后期设计变更和确保符合行业标准使流程更加复杂，经常导致风险、错误和延迟。

图 1：互连是高性能 SoC 的关键组件。手动设计通常设计过度，对 PPA 产生负面影响（来源：Arteris）。

现代 SoC 挑战的解决方案

为了应对这些挑战，工程师越来越多地转向可以根据 SoC 设计需求扩展的高级互连方法。如图 1 所示，一种方法是商用片上网络 (NoC) 架构，它提供可扩展、灵活且高效的方法来管理通信、最小化延迟、优化功耗并通过最小化线路数量和简化布线来减少所需面积。NoC 正迅速成为满足当今复杂系统需求的首选解决方案。

图 2：使用商用 NoC IP 解决设计复杂性（来源：Arteris）。

NoC 架构提供可适应的数据路径，可以在 IP 块之间动态路由信息，从而减少延迟并提高能源效率。通过创建灵活的交换机网络，NoC 可显著减少所需的物理连接数量，有助于缓解拥塞、降低功耗并简化时序收敛。此外，序列化技术允许设计人员根据特定要求定制数据流，从而进一步提高系统性能而无需扩大物理占用空间。

优化内存子系统是防止性能瓶颈的关键策略。在多核设计中，缓存一致性在确保处理器使用最新数据方面起着至关重要的作用。Ncore 的集成 SLC 缓存和 FlexNoC 的可选 CodaCache 可加速内存带宽并减少延迟。跨内核同步缓存有助于保持系统性能并减少低效率。服务质量 (QoS) 机制通过优先处理关键数据流量（例如 CPU 和 GPU 通信）来进一步增强这一点，以防止时间敏感型任务的性能下降。

NoC 架构的主要优势之一是其固有的灵活性和可扩展性。NoC 支持各种拓扑和协议，可以根据每种设计的特定需求进行定制。通过调整路由、序列化和交换机制，NoC 可确保数据在 IP 块之间高效移动。多时钟域和电源域分离支持进一步增强了这种灵活性，允许 SoC 的每个部分根据自己的工作负载要求运行，确保系统针对性能和效率进行优化。

Arteris NoC 解决方案和集成软件

Arteris 提供多种 NoC 解决方案，包括 FlexNoC 和 Ncore，以及 Magillem 集成软件，旨在满足 SoC 设计中日益增长的需求和挑战。这些技术协同工作，以改善数据流、减少延迟和优化功率效率，满足当今应用的需求。

FlexNoC 5 优化了 IP 块之间的通信和路由，解决了拥塞和时序挑战。其物理感知功能有助于尽早将设计决策与物理布局保持一致，使线路布局更加高效，并简化时序收敛。FlexNoC 5 的灵活拓扑使设计人员能够平衡带宽和延迟，以满足性能和功率要求。

Ncore 确保多核系统中的数据一致性和高效的内存访问。它使用一致的缓存和监听过滤器来保持共享数据在处理器之间同步，从而减少流量并防止瓶颈。Ncore 支持异构 IP 可扩展性的能力可适应不同的架构。

Magillem Registers 和 Magillem Connectivity 可实现 IP 块集成和寄存器管理的自动化，从而减少错误并提高设计一致性。该软件简化了来自多个来源的 IP 连接，简化了寄存器管理，确保符合行业标准，并使后期设计变更更易于处理。此外，它还可以在复杂的设计中更轻松、更快速地提供文档记录 - 单一事实来源。

FlexNoC、Ncore 和 Magillem 软件的 Arteris 产品流程共同为 SoC 设计中的 PPA 和集成挑战提供了全面的解决方案。

结论

随着对 SoC 的需求不断增长，传统的内部互连方法已不足以应对性能、功率效率和可扩展性的挑战。NoC 架构以及 Arteris 的 FlexNoC、Ncore 和 Magillem 软件等解决方案提供了可扩展且高效的方法来管理日益复杂的 SoC 设计。这些技术不仅可以改善通信和数据流，还可以简化集成、降低功耗并优化系统性能。通过部署商用NoC IP并采用先进的SoC集成工具，设计人员可以更好地管理不断增长的IP块数量，确保数据一致性并满足当今应用的PPA要求。

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