摘要：半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入到片上網(wǎng)絡(luò)階段。為了進(jìn)一步研究其結(jié)構(gòu)及不同工藝對(duì)其的影響，文章分析了片上網(wǎng)絡(luò)對(duì)于片上系統(tǒng)的優(yōu)越性，并針對(duì)其重要組成部分——交換開(kāi)關(guān)提出了一種×pipes 交換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，通過(guò)將該結(jié)構(gòu)在65 納米和90 納米庫(kù)中進(jìn)行分別進(jìn)行綜合分析，從而得出采用65 納米技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)。

　　1 引言

　　在過(guò)去的 50 年中，集成電路制造工藝以每年58%的增長(zhǎng)率持續(xù)發(fā)展著。進(jìn)入21 世紀(jì)后，90 納米和65 納米工藝相繼投產(chǎn)，標(biāo)志著納米時(shí)代的開(kāi)始。在未來(lái)的5~10 年中，集成電路的電路規(guī)模將超過(guò)40 億晶體管，目前的單一處理器及總線結(jié)構(gòu)是無(wú)法駕馭規(guī)模如此龐大的電路的。一顆芯片內(nèi)集成越來(lái)越多的內(nèi)核數(shù)量，在實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大功能的同時(shí)，也引入了許多新的設(shè)計(jì)問(wèn)題。其中之一就是如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)核間的互連。首先，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定可靠的內(nèi)核互連機(jī)制？這種互連機(jī)制會(huì)在很大程度上影響SOC 系統(tǒng)的性能甚至是功耗，簡(jiǎn)單的總線結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿足SOC 系統(tǒng)中越來(lái)越復(fù)雜的通信需求。

　　一個(gè)由多個(gè)內(nèi)核組成的系統(tǒng)如果使用總線連接，則會(huì)需要很長(zhǎng)的連線，而這樣的總線不可能達(dá)到很高的速度。另外，芯片的同步越來(lái)越困難，按照傳統(tǒng)的方式使用單一時(shí)鐘已經(jīng)變得幾乎是不可能的。所以，未來(lái)的SOC 有可能采用一個(gè)全局異步局部同步[3]的工作方式（Globally Asynchronous and LocallySynchronous），也就是說(shuō)芯片將不再使用一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘，而是采取一種分布式的方式，只是在局部（如一個(gè)內(nèi)核內(nèi)部）使用傳統(tǒng)的單一時(shí)鐘。相對(duì)于SOC 而言，全新的NOC（Networkon chip）體系結(jié)構(gòu)是更高層次、更大規(guī)模的片上系統(tǒng)，是片上的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。片上網(wǎng)絡(luò)就是將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于SOC 模塊互連的設(shè)計(jì)方法， NOC 技術(shù)的思想是將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到芯片設(shè)計(jì)中來(lái)，以便徹底解決多CPU 的體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題。NOC 可以定義為在單一芯片上實(shí)現(xiàn)的基于網(wǎng)絡(luò)通訊的多處理器系統(tǒng)。NOC 包括運(yùn)算和通訊兩類節(jié)點(diǎn)。運(yùn)算節(jié)點(diǎn)（又稱為資源，Resource）完成廣義的運(yùn)算任務(wù)。它們既可以是SOC，也可以是各種單一功能的IP；通訊節(jié)點(diǎn)（又稱交換開(kāi)關(guān)，Switch）負(fù)責(zé)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通訊。通訊節(jié)點(diǎn)及其之間的網(wǎng)絡(luò)稱為OCN（On Chip Network），它借鑒了分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通訊方式，用路由和分組交換技術(shù)替代傳統(tǒng)的總線技術(shù)完成通訊任務(wù)。本文我們主要介紹交換開(kāi)關(guān)。

　　2 交換開(kāi)關(guān)

　　2.1 交換開(kāi)關(guān)基本原理與結(jié)構(gòu)

　　交換開(kāi)關(guān)也稱為路由器，它用于建立交換網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)交換開(kāi)關(guān)有多個(gè)輸入、輸出端口，每個(gè)輸入端口內(nèi)有一個(gè)接收器和輸入緩沖器，用以處理到達(dá)的包或報(bào)元。每個(gè)輸出端口內(nèi)含一個(gè)發(fā)送器，傳輸輸出數(shù)據(jù)信號(hào)到連接另一個(gè)交換開(kāi)關(guān)的通信線路上。一個(gè)4×4 的交換開(kāi)關(guān)如圖1。其中內(nèi)部交叉開(kāi)關(guān)用來(lái)同時(shí)建立輸入和輸出間的連接。每個(gè)交叉點(diǎn)可在程序控制下接通或斷開(kāi)。多個(gè)開(kāi)關(guān)和鏈路常按選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建成大型的交換網(wǎng)絡(luò)。
　　一個(gè)二元開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)一個(gè) 2×2 開(kāi)關(guān)模塊，每一個(gè)輸入可連接到任意輸出端口，但只允許一對(duì)一或一對(duì)多的映射，不允許多對(duì)一的映射，因?yàn)檫@將發(fā)生輸出沖突。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)終要?dú)w結(jié)到交換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和如何將交換開(kāi)關(guān)連接起來(lái)。交換開(kāi)關(guān)的度、內(nèi)部的選路機(jī)制和內(nèi)部的緩沖策略決定了能支持什么樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦x路算法。前面描述了交換開(kāi)關(guān)的基本原理，現(xiàn)在我們通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)例來(lái)仔細(xì)的看一下交換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。

　　圖 1 交換開(kāi)關(guān)圖

　　2.2 ×pipes 交換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

　　本文采用一種×pipes 交換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)?！羛ipes 交換開(kāi)關(guān)（圖2）具有輸出緩沖；每個(gè)輸出有可重構(gòu)深度的FIFOs，輸入是單獨(dú)的寄存器。數(shù)組寬度可以任意設(shè)定。輸入輸出的數(shù)量也是一個(gè)參數(shù)；中心交叉網(wǎng)絡(luò)提供完全互連。每一個(gè)輸出有一個(gè)仲裁來(lái)處理連接問(wèn)題。因?yàn)椤羛ipes 進(jìn)行資源布線，所以開(kāi)關(guān)本身不包括布線查找表。采用×pipes 是為了提供高運(yùn)行和可靠的通信。開(kāi)關(guān)的作用是通過(guò)一個(gè)抽象定義或動(dòng)態(tài)選擇的路徑將進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)組傳輸?shù)剿麄兊哪康牡?。開(kāi)關(guān)將數(shù)組從一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)通常以功耗和運(yùn)行折衷為特征：功耗大的開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)器資源可以用于支持高速運(yùn)行的片上通訊。開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)可以包括輸出和輸入緩沖或僅一種類型的緩沖。輸入排隊(duì)使用較少的緩沖但是必須有隊(duì)首塊。虛擬輸出排隊(duì)有更高的運(yùn)行效率，但是需要更多的緩沖。網(wǎng)絡(luò)流程控制（或布線模式）專門說(shuō)明開(kāi)關(guān)中緩沖資源數(shù)量的限制。

　　圖2 4×4 ×pipes 交換開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)

　　1） 端口

　　交換開(kāi)關(guān)的引腳數(shù)目是輸入和輸出端口的總數(shù)乘以通道寬度。相對(duì)于芯片面積來(lái)說(shuō)，芯片周長(zhǎng)增長(zhǎng)緩慢，因此交換開(kāi)關(guān)引腳數(shù)目受到限制。高速串行連接使用少的引腳，并且消除了在通道的不同位線之間歪斜的問(wèn)題。但其主要缺點(diǎn)是，時(shí)鐘和所有的控制信息都必須在串行位流的幀內(nèi)進(jìn)行編碼。使用并行連接，需要有一根線專門用來(lái)傳遞時(shí)鐘信號(hào)。另外，流量控制可以通過(guò)另外一根提供準(zhǔn)備/確認(rèn)握手信號(hào)的線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2） 內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑

　　數(shù)據(jù)路徑是輸入端口和輸出端口之間的通路，雖然它可以用許多方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但通常是指內(nèi)部的（縱橫）交叉開(kāi)關(guān)。在一個(gè)非阻塞交叉開(kāi)關(guān)中，每一個(gè)輸入端口能以任何置換次序連向一個(gè)獨(dú)立的輸出端口。如圖3a 所示，從邏輯上來(lái)說(shuō)，一個(gè)n×n 交換開(kāi)關(guān)無(wú)非是一個(gè)與每個(gè)目標(biāo)相關(guān)的n-路多路復(fù)用器。依賴于底層技術(shù)，多路復(fù)用器可以用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　圖 3 交叉開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)： a 多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)，b 三態(tài)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)

　　例如，采用VLSI 技術(shù)，典型的實(shí)現(xiàn)是采用如圖3b 所示的三態(tài)驅(qū)動(dòng)電路形成單個(gè)總線。在這種情況下，對(duì)于每個(gè)輸出端口，控制通路提供n 個(gè)使能點(diǎn)。

　　圖4 輸入端緩沖的交叉開(kāi)關(guān)

　　3） 通道緩沖區(qū)

　　交換開(kāi)關(guān)中緩沖區(qū)的組織對(duì)性能影響很大。傳統(tǒng)的路由器和交換開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，常常在交換開(kāi)關(guān)組織外設(shè)置很大的SRAM 或DRAM，但在VLSI 設(shè)計(jì)中，緩沖區(qū)在交叉開(kāi)關(guān)內(nèi)部，在數(shù)據(jù)通路和控制部分一樣占據(jù)硅片。緩沖區(qū)設(shè)置有四種基本選擇：不設(shè)置緩沖區(qū)、在輸入端設(shè)置緩沖區(qū)、在輸出端設(shè)置緩沖區(qū)和設(shè)置一個(gè)集中的共享緩沖池。

　　a 輸入緩沖區(qū)：一種方法是在每個(gè)輸入端口提供獨(dú)立的FIFO 緩沖區(qū)，如圖5 所示。每個(gè)緩沖區(qū)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)接收一個(gè)節(jié)片，并向輸出端口發(fā)送一個(gè)節(jié)片。這樣一來(lái)，交換開(kāi)關(guān)的內(nèi)部帶寬就能很容易匹配進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)流。交換開(kāi)關(guān)的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，它監(jiān)控每一個(gè)輸入FIFO 對(duì)列的頭，計(jì)算出每個(gè)要去的輸出端口，然后調(diào)度相應(yīng)信包通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)。選路邏輯與每個(gè)輸入端口相關(guān)，用來(lái)決定想要去的輸出端口。如果是算數(shù)選路，每個(gè)輸入端口需要一個(gè)算數(shù)單元；如果是查表找路，每個(gè)輸入端口需要一個(gè)選路表；如果是切通選路，選路邏輯不需要每個(gè)時(shí)鐘周期都作出決定，只需要對(duì)每個(gè)信包做決定即可。實(shí)際上，選路邏輯是個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，在信包的邊界作出新的路由決定前，將同一個(gè)信包的所有數(shù)據(jù)片送到同一個(gè)輸出通道。

　　然而這種簡(jiǎn)單的輸入端緩沖方法會(huì)形成一個(gè)“排頭”阻塞問(wèn)題。例如，如果兩個(gè)輸入端口都有信包要傳到同一個(gè)輸出端口，其中一個(gè)將會(huì)被調(diào)度輸出，另一個(gè)將會(huì)被阻塞?？墒牵诒蛔枞男虐竺娴男虐?，可能是要傳到一個(gè)沒(méi)有被使用的輸出端口，但是它卻不能被傳輸。“排頭”阻塞對(duì)通道利用率會(huì)有很大影響。

　　b 輸出緩沖：需要對(duì)交換開(kāi)關(guān)做的基本改進(jìn)是解決在每個(gè)輸入端口有多個(gè)信包等待傳到輸出端口的情況。一種方法是擴(kuò)展輸入FIFO 隊(duì)列，為每個(gè)輸出端口設(shè)置獨(dú)立的緩沖區(qū)，這樣一來(lái)，信包在到達(dá)時(shí)就按目的端口排序了。假如輸入端口通信流穩(wěn)定的話，輸出端能100%驅(qū)動(dòng)。盡管這種設(shè)計(jì)有很大好處，但是代價(jià)很高，需要額外的緩沖區(qū)和復(fù)雜的內(nèi)部連接，并且需要一個(gè)排序階段和更寬的多路復(fù)用器。這些可能會(huì)導(dǎo)致交換開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘周期變長(zhǎng)，或者增加了選路延遲。緩沖區(qū)是與輸入端口還是與輸出端口相關(guān)，完全是一個(gè)視角問(wèn)題。如果看做是輸出端口緩沖區(qū)，主要特點(diǎn)是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，每個(gè)輸出端口有足夠的內(nèi)部帶寬來(lái)從每個(gè)輸入端口接收一個(gè)信包。這些也能夠用一個(gè)單個(gè)的輸出FIFO 來(lái)實(shí)現(xiàn)，只不過(guò)它要求隊(duì)列的內(nèi)部時(shí)鐘速率要比輸入端口的時(shí)鐘速率快n 倍。

　　c 共享池：使用共享池，每個(gè)輸入端口都將數(shù)據(jù)放到一個(gè)集中的內(nèi)存中，每個(gè)輸出端口從那里讀數(shù)據(jù)。這種方法不會(huì)出現(xiàn)“排頭”阻塞問(wèn)題，因?yàn)橹灰锌臻g，每個(gè)輸入輸出端口都能像共享池寫(xiě)數(shù)據(jù)，而不管是傳到哪個(gè)輸出端口。這種方法的一個(gè)問(wèn)題是如何將n 個(gè)輸入端口的帶寬匹配n 個(gè)輸出端口的帶寬。一種方法是使連到共享池的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的寬度是鏈路的2n 倍，每個(gè)輸入端口在寫(xiě)入共享池之前緩存2n 節(jié)片，每個(gè)輸出端口取得2n 節(jié)片。共享池通常采用SRAM。

　　d 虛擬通道緩沖：虛擬通道提供了另一種組織交換開(kāi)關(guān)內(nèi)部緩沖區(qū)的方法。為了支持虛擬通道，通過(guò)鏈路的數(shù)據(jù)流在到達(dá)輸入端口時(shí)被分解后放到獨(dú)立的通道緩沖區(qū)中。在通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)之前或者之后，被重新合并后進(jìn)入輸出端口。如果一個(gè)虛擬通道被阻塞，則其他的虛擬通道還能繼續(xù)通向輸出端口。盡管有可能所有的虛擬通道都選路到同一個(gè)輸出端口，但是期望的輸出端口覆蓋率會(huì)好很多。

　　4）輸出調(diào)度

　　在交換開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中還有一個(gè)主要的部分是調(diào)度算法，它決定在每個(gè)時(shí)鐘周期選擇要傳輸?shù)男虐?。解決輸出調(diào)度問(wèn)題也有多種方法。一種簡(jiǎn)單的方法是將調(diào)度問(wèn)題看作是n 個(gè)仲裁問(wèn)題，每個(gè)輸出端口一個(gè)。每個(gè)輸入緩沖區(qū)都有請(qǐng)求線連向每個(gè)輸出端口，且每個(gè)輸出端口有一根授予線連到輸入緩沖區(qū)。選路邏輯計(jì)算出欲發(fā)送到的輸出端口，并置位跟選定的輸出端口相連的請(qǐng)求線。輸出端口調(diào)度邏輯在這些請(qǐng)求之間進(jìn)行仲裁，選出一個(gè)并置位相應(yīng)的授予信號(hào)線。然后，選中的輸入緩沖邏輯就開(kāi)始傳輸它的信包。

　　另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題是選擇什么樣的仲裁算法，有多種方法可供選擇，包括靜態(tài)優(yōu)先權(quán)、隨機(jī)法、輪轉(zhuǎn)法和老優(yōu)先權(quán)法。每種方法都有不同的性能特征和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。靜態(tài)優(yōu)先權(quán)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需要用一個(gè)簡(jiǎn)單的優(yōu)先權(quán)編碼器，然而在一個(gè)很大的網(wǎng)絡(luò)里，可能會(huì)造成不確定的延遲。一般來(lái)說(shuō)，給每個(gè)輸入端口提供公平服務(wù)的調(diào)度算法性能會(huì)更好。輪轉(zhuǎn)法需要一個(gè)額外的位，在每個(gè)時(shí)鐘周期改變優(yōu)先級(jí)的次序。老優(yōu)先法雖然與隨機(jī)法有同樣的平均延遲，但延遲變化比隨機(jī)法要小一些。我們采用的一種實(shí)現(xiàn)老優(yōu)先法的辦法是，在每個(gè)輸出端口上設(shè)置一個(gè)輸入端口號(hào)控制FIFO 隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)輸入緩沖區(qū)請(qǐng)求獲得一個(gè)輸出端口進(jìn)行傳輸時(shí)，就將一個(gè)請(qǐng)求放入輸入控制FIFO 隊(duì)列中，在FIFO 隊(duì)列中老的請(qǐng)求被授予輸出端口。

　　圖 5 ×pipes 開(kāi)關(guān)在不同技術(shù)庫(kù)中的分析

　　我們分別將×pipes 交換開(kāi)關(guān)在4 個(gè)不同的庫(kù)中進(jìn)行不同的功耗/運(yùn)行折衷（LP-LVT 和LP-HVT）分析，兩個(gè)用65 納米工藝，另兩個(gè)用90 納米工藝。在分析中，開(kāi)關(guān)被充分的布局和路由，而且增加了一個(gè)時(shí)鐘樹(shù)。

　　從結(jié)果（圖 5）中可以看出，65 納米庫(kù)提供了更大的改進(jìn)空間。事實(shí)上我們發(fā)現(xiàn)采用65 納米庫(kù)，功耗降低了50%，面積節(jié)省了40%~50%。同樣重要的是，在相同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)處兩種不同庫(kù)中所得出的結(jié)果有很大的不同。在65 納米中，LP-HVT 庫(kù)比LP-LVT 庫(kù)有更少的功耗。而且，我們的結(jié)果表明和90 納米庫(kù)相比其操作空間增加了。例如，通過(guò)觀察可行的時(shí)鐘頻率，LP-HVT65 納米庫(kù)可以達(dá)到的頻率比90 納米低50%，但是LP-LVT65 納米庫(kù)實(shí)際上比90 納米庫(kù)快25%。這一趨勢(shì)說(shuō)明在新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)者可以有新的自由度。

　　3 結(jié)論

　　目前的應(yīng)用和技術(shù)趨勢(shì)推動(dòng)了從總線結(jié)構(gòu)向片上網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。片上網(wǎng)絡(luò)不僅用于解決物理設(shè)計(jì)的難題，而且提高了帶寬需求。然而，片上網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)性能和折衷在100 納米以下的研究比較少。本文分析了片上網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分——交換開(kāi)關(guān)?！羛ipes 是一個(gè)軟模塊庫(kù)，我們將其運(yùn)用于交換開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。并且將其在65 納米和90 納米兩種前提下進(jìn)行綜合分析，實(shí)驗(yàn)證明，65 納米技術(shù)下的交換開(kāi)關(guān)的性能更好，更適于目前低功耗的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種新的交換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，并將其在65 納米及90 納米庫(kù)中進(jìn)行綜合分析，得出雖然65 納米工藝有一定的缺點(diǎn)但總體而言還是有很大的研究?jī)r(jià)值和空間。