日前，互聯(lián)網(wǎng)巨頭Facebook宣布了收購片上網(wǎng)絡(luò)（network-on-chip，NoC）IP提供商Sonics，據(jù)悉Facebook會將Sonics的NoC技術(shù)應(yīng)用在其AR/VR相關(guān)的應(yīng)用中。除了Sonics之外，去年Intel也收購了另一家NoC IP提供商Netspeed，以至于目前在NoC領(lǐng)域，Arteris成為了唯一的獨立IP供應(yīng)商。為什么近年來巨頭動作頻頻，爭相收購NoC IP提供商呢？本文將為您做詳細分析。

片上網(wǎng)絡(luò)的歷史沿革

片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）其實已經(jīng)有悠久的歷史，在2006年Arteris就推出了其***款商用NoC IP。為了理解NoC出現(xiàn)的原因，我們首先回顧一下NoC出現(xiàn)前的片上互聯(lián)方式。

傳統(tǒng)片上BUS總線（左）和Crossbar（右）互聯(lián)方式

在NoC出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的片上互聯(lián)方法包括Bus總線和Crossbar兩種。Bus總線的互聯(lián)方式即所有數(shù)據(jù)主從模塊都連接在同一個互聯(lián)矩陣上，當有多個模塊同時需要使用總線傳輸數(shù)據(jù)時，則采用仲裁的方法來確定誰能使用總線，在仲裁中獲得總線使用權(quán)限的設(shè)備則在完成數(shù)據(jù)讀寫后釋放總線。ARM著名的AXI、AHB、APB等互聯(lián)協(xié)議就是典型的總線型片上互聯(lián)。

除了總線互聯(lián)之外，另一種方法是Crossbar互聯(lián)。總線互聯(lián)同時只能有一對主從設(shè)備使用總線傳輸數(shù)據(jù)，因此對于需要較大帶寬的架構(gòu)來說不一定夠用。除此之外，在一些系統(tǒng)架構(gòu)中，一個主設(shè)備的數(shù)據(jù)往往會需要同時廣播給多個從設(shè)備。在這種情況下，Crossbar就是更好的選擇。Crossbar的主要特性是可以同時實現(xiàn)多個主從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，同時能實現(xiàn)一個主設(shè)備對多個從設(shè)備進行數(shù)據(jù)廣播。然而，Crossbar的主要問題是互聯(lián)線很復(fù)雜，給數(shù)字后端設(shè)計帶來了較大的挑戰(zhàn)。

與總線和Crossbar相比，NoC則是一種可擴展性更好的設(shè)計。NoC從計算機網(wǎng)絡(luò)中獲取了靈感，在芯片上也實現(xiàn)了一個類似的網(wǎng)絡(luò)。在NoC架構(gòu)中，每一個模塊都連接到片上路由器，而模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則是形成了一個個數(shù)據(jù)包，通過路由器去送達數(shù)據(jù)包的目標模塊。

與片上總線和Crossbar相比，NoC的主要優(yōu)勢可以體現(xiàn)在橫向和縱向兩方面。橫向的優(yōu)勢是指當片上使用互聯(lián)的模塊數(shù)量增加時，NoC的復(fù)雜度并不會上升很多。這也是符合直覺的，因為NoC使用了類似計算機網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，因此可以更好地支持多個互聯(lián)模塊，同時可以輕松地加入更多互聯(lián)模塊——這和我們把一臺新的電腦接入互聯(lián)網(wǎng)而幾乎不會對互聯(lián)網(wǎng)造成影響一樣。與NoC相比，片上總線和Crossbar在互聯(lián)模塊數(shù)量上升時就顯得有些力不從心，尤其是Crossbar的互聯(lián)復(fù)雜性與互聯(lián)模塊的數(shù)量呈指數(shù)關(guān)系，因此一旦加入更多模組其后端物理設(shè)計就會要完全重做。當然，NoC為了實現(xiàn)可擴展性，也需要付出路由器邏輯之類的額外開銷。因此，在互聯(lián)模塊數(shù)量較少時，片上總線和Crossbar因為設(shè)計簡單而更適合；而一旦片上互聯(lián)模塊數(shù)量上升時（如大于30個模塊），NoC的優(yōu)勢就得到體現(xiàn)，這時候路由器邏輯和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開銷就可以忽略不計，因此在互聯(lián)模塊數(shù)量較多時NoC可以實現(xiàn)更高的性能，同時面積卻更小。

NoC縱向的優(yōu)勢則來自于其物理層、傳輸層和接口是分開的。拿傳統(tǒng)的總線為例，ARM的AXI接口在不同的版本定義了不同的信號，因此在使用不同版本的AXI時候，一方面模塊的接口邏輯要重寫，另一方面AXI矩陣的邏輯、物理實現(xiàn)和接口也要重寫，因此造成了IP復(fù)用和向后兼容上的麻煩。而NoC中，傳輸層、物理層和接口是分開的，因此用戶可以在傳輸層方便地自定義傳輸規(guī)則，而無需修改模塊接口，而另一方面?zhèn)鬏攲拥母膶τ谖锢韺踊ヂ?lián)的影響也不大，因此不用擔心修改了傳輸層之后對于NoC的時鐘頻率造成顯著的影響。

異構(gòu)計算時代，NoC漸成主流

如前所述，一旦SoC上的模塊數(shù)量上升時，NoC的優(yōu)勢就得到了體現(xiàn)。而在異構(gòu)計算逐漸成為主流的今天，NoC也就順應(yīng)潮流成為了系統(tǒng)中越來越重要的一部分。

眾所周知，隨著半導(dǎo)體工藝特征尺寸縮小越來越接近物理極限，半導(dǎo)體工藝的每一步前進都要付出巨大的代價，而摩爾定律對于每隔18個月集成度翻倍的預(yù)言也漸漸成為了歷史。在過去，根據(jù)摩爾定律縮小特征尺寸能帶來晶體管集成度上升，從而降低成本；另外晶體管面積縮小還帶來了性能上升。而在今天，由于先進工藝制程越來越復(fù)雜，28nm之后晶體管縮小帶來的成本優(yōu)勢正在被巨大的一次NRE成本所抵消，更關(guān)鍵的是晶體管的性能在先進工藝下的提升已經(jīng)逐漸趨近飽和。

在這樣的情況下，處理器芯片的性能提升已經(jīng)不能依賴半導(dǎo)體工藝帶來的晶體管性能提升，而是要更多地依靠芯片架構(gòu)上的提升。在芯片架構(gòu)方面，異構(gòu)計算在摩爾定律接近失效的今天得到了廣泛的認可。

異構(gòu)計算芯片架構(gòu)示意圖

在摩爾定律的黃金時代，通用計算是時代的主流，因為隨著摩爾定律的發(fā)展通用處理器的性能每過一段時間都會翻番，所以去設(shè)計專用化的處理模塊的意義并不大。相反，在摩爾定律接近實效的今天，為了能實現(xiàn)處理器性能的提升，最可行的方法就是針對每一種計算去設(shè)計專用的計算模塊，從而實現(xiàn)性能的提升，這也就是異構(gòu)計算的思路。異構(gòu)計算的芯片架構(gòu)中，多個專用計算模塊會通過片上互聯(lián)去訪問存儲器，同時也會通過片上互聯(lián)去互相通信，因此片上互聯(lián)在異構(gòu)計算時代正在扮演越來越重要的角色。而在使用異構(gòu)計算思想設(shè)計的SoC中，這樣的專用模塊數(shù)量正在上升到數(shù)十個，因此NoC成了實現(xiàn)片上互聯(lián)的***實現(xiàn)方式。而隨著未來異構(gòu)計算范式得到更多認可和應(yīng)用，我們可以預(yù)見片上互聯(lián)會需要連接越來越多數(shù)量的模塊，因此NoC設(shè)計的重要性也將會提升。

使用Sonics提供的NoC IP的芯片架構(gòu)示意圖

巨頭收購NoC IP供應(yīng)商的背后

Facebook、Intel等巨頭收購NoC IP供應(yīng)商，首先說明了NoC在今天SoC架構(gòu)中的重要性。如前所述，目前SoC架構(gòu)中，異構(gòu)計算正在成為主流架構(gòu)。“異構(gòu)計算”至少包含“異構(gòu)”和“計算”兩個方面，“異構(gòu)”意味著 SoC中不同IP的數(shù)量越來越多，而“計算”則意味著每個IP都會需要大量的數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的帶寬以完成相應(yīng)任務(wù)。當把多個IP以計算為目的組成異構(gòu)計算的芯片時，片上互聯(lián)往往會成為性能的瓶頸，因此NoC這樣的先進片上互聯(lián)架構(gòu)正好能幫助異構(gòu)計算架構(gòu)的芯片解決互聯(lián)瓶頸。去年Intel收購NoC IP供應(yīng)商Netspeed時，時任Intel相關(guān)負責人的Jim Keller就在聲明中表示“Intel正在為芯片設(shè)計加入更多的專用（計算）特性，而Intel面臨的挑戰(zhàn)則來自于如何能在合理的時間和預(yù)算內(nèi)為每個專用計算設(shè)計***化的IP模塊”。Keller的聲明幾乎完全印證了異構(gòu)計算的思路，而Netspeed的NoC IP則能解決異構(gòu)計算芯片上的互聯(lián)瓶頸問題。

除了技術(shù)上的考慮之外，在商業(yè)上來說，巨頭收購NoC IP供應(yīng)商可以從“進攻”和“防守”兩個角度來理解。“進攻”的角度上來說，由于NoC正在變得越來越重要，因此巨頭們希望能有自己獨特的NoC IP，在實現(xiàn)優(yōu)秀的性能之外，甚至有可能基于該IP做自己的獨特芯片架構(gòu)，從而實現(xiàn)芯片性能的跨代式領(lǐng)先。如果要做這樣的定制化高性能NoC，與NoC IP廠商的通常性商務(wù)合作往往無法達到目的，而如果自己組建團隊從頭做起則速度太慢，因此在NoC IP公司價格合理的情況下收購是最合適的選擇。從“防守”的角度上來說，一旦為自己提供NoC IP的公司經(jīng)營不善無法繼續(xù)提供IP，或者甚至被競爭對手買走，那么自己要切換到另一家公司的NoC IP會需要許多時間，出于這種考慮，還不如把自己用得最順手的NoC IP公司直接買下，也就避免了這些麻煩。相信Facebook和Intel收購NoC IP公司，都有出自于這兩方面的考慮。