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[摘 要]随着处理器体系结构进入多核/众核时代，芯片数目与日俱增，片上网络存在着越来越多的通信问题。片上系统的设计理念是要把计算资源和可重用的组件全部集成在一个芯片中。芯片集成度的提高导致了片上计算资源快速增加，片上各模块间的通信对片上系统的性能影响也随之增大。所以理清片上网络的特性与优势极为必要。
[关键词]片上网络；信號；通信；
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0361-01
随着半导体工艺的不断进步，集成电路技术在过去的几十年中得到了飞速的发展，单个芯片上可容纳的晶体管的数目遵循着摩尔定律不断增加，单个芯片可以提供的逻辑资源也越来越丰富。集成电路的设计人员不再受限于芯片的资源，可以在芯片内部集成多个异构的计算单元，从而形成片上系统。片上系统的设计理念是要把计算资源和可重用的组件全部集成在一个芯片中。芯片集成度的提高导致了片上计算资源快速增加，片上各模块间的通信对片上系统的性能影响也随之增大。
传统的片上系统一般采用总线的形式，为了满足日益增长的通信需求，总线结构经历了由单一的共享总线发展到多级桥接总线再到基于交叉开关的设计。随着集成电路和半导体技术不断发展，总线结构的片上系统设计方法面临着各种问题，主要表现在下面几个方面：
（1）可扩展性。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。虽然总线可以有效的连接多个核，但是地址资源总是有限的。而且，虽然总线由多用户共享，但一条总线无法支持一对以上的核同时通信，通信效率是很低的。
（2）全局同步。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以后连线延迟造成的影响将严重到无法设计全局时钟的程度，而且由于时钟网络的庞大，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王作将变得极其困难。
（3）信号完整性。并行总线无法回避串扰带来的影响。采用屏蔽线的方法可以降低串扰的影响，但占用了更多布线资源，会浪费芯片的空间，增加了芯片的成本。
针对总线结构存在的上述问题，人们提出了一种全新的以通信为中也的集成电路体系结构，也就是片上网络（NoC）。其核必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结构带来的问题。
基于片上网络的片上系统由两个基本部分组成：资源节点和通信节点网络。资源节点可以是计算单元，如CPU、DSP等，也可以是存储器单元，完成系统的计算和存储任务；通信节点负责资源节点之间的信息交换，其基本元件是网络接口单元和路由单元。网络接口单元实现了资源节点和通信网络之间的通信接口，路由单元按照拓扑结构组成网络的物理架构。使用片上网络的结构代替总线结构具有以下几个优点：
（1）片上网络类似于计算机网络，支持多对网络节点并发交换数据，在一定的数据带宽下，可以获得更高的全局数据吞吐率，提高了系统的并行能力。此外，接入片上网络的核对应唯一的一个ID，从理论上说可以获得无限的系统地址空间，具有良好的可扩展性。
（2）片上网络采用全局异步与异步同步的通信机制。片上网络的IP核工作在自己的局部时钟域内，局部同步系统与片上网络路由单元之间以及片上网络路由单元之间采取异步方式进行通信。由于取消了全局时钟，所以避免了时钟抖动和偏移问题，并且可以大幅度降低芯片的动态功耗。
（3）片上网络采用基于数据包的传输方式，可以比较容易的加入端到端、路由单元到路由单元和混合型的检错和纠错机制，用于处理芯片内部的信号串扰。NoC甚至可以使用多路径路由的方法避开芯片内全局连线的故障。
（1）存储结构的问题。缓存是NoC中十分重要的单元，占据芯片一半以上的面积，而且还有递増的趋势。从功耗的角度来看，缓存消耗的功率可达总功率的90%，给芯片的散热和封装技术带来严重的问题。NoC中大量的存储资源将占用多个路由节点，在传输时将带来很大的延迟。如何有效的缩短源节点到目的节点间的距离、如何充分利用有限访存带宽以及片上存储空间，对提高整个NoC系统性能十分关键。
（2）软件并行化问题。基于多核的高性能处理芯片可能会遇到很多传统的串行程序，如果不能有效的利用NoC片上并行处理资源，则实际的计算性能将会很低。因此，如何通过有效的方法和模型，充分的利用NoC的众多处理单元并极大的降低应用的开发难度，便成为迫切需要解决的问题。
（3）功耗问题。随着集成电路和工艺的发展，在单芯片上集成的处理单元越来越多，功耗问题将日益突出。尽管全局异步、局部同步的特性在一定程度上降低了NoC的功耗，但NoC所引入的多处理器系统间的通信功耗仍是一个突出的问题。如何在NoC设计中对众多的资源进行调度管理，对于NoC在高性能计算和嵌入式领域的应用具有重要的现实意义。
随着处理器体系结构进入多核/众核时代，芯片数目与日俱增，传统NoC中远距离传输会带来高延迟高能耗等问题，扩展性、空间等问题也是巨大的挑战。为了缓和NoC中复杂的通信问题，人们提出了一些新的互连结构，如3D片上网络、片上光网络、无线片上网络。
（1）3D片上网络
3D片上网络是将资源节点分布在不同的物理层上，并用立体架构实现节点间的互连的NoC系统。3D片上网络克服了平面布局的限制，増加了垂直方向的扩展，在真正意义上缩短了物理连线的长度，降低了延迟和功耗，提高了系统性能。同时增加了封装密度，减少了苍片面积。
3D片上网络也面临着一些挑战。在传统3D片上网络中，散热会对网络的性能产生影响，在密度更大面积更小的3D片上网络中，散热问题更是一个不可忽视的问题。另外，层与层之间的锅合电容引起的串扰问题也是需要考虑的。
（2）片上光网络
电信号在芯片上传递时会遇到带宽和功耗瓶颈，因此片上光网络采用光信号来代替电信号。光波在高速传递和处理时具有传输带宽高、信号间延迟低、光损耗低、抗干扰等优点。在片上光网络中，当光链路建立后，消息传输不再需要存储、中继等过程，功耗比起传统片上网络要低得多。
（3）无线片上网络
无线片上网络使用无线连接来替代传统片上网络中的有线连接。在今天大多数无线片上网络中，无线连接是用于节点间远距离传输并具有低网络延迟、低能耗的捷径。无线片上网络中节点间可以使用无线进行连接，提高了芯片空间的利用率，同时也提高了网路的扩展性。
由于不同的体系结构针对的是不同的问题，可以将不同的体系结构合理的进行结合，比如片上光网络可以向3D片上光网络发展，3D片上网络长距离传输可以使用无线连接，无线片上网络的不同子网可以设置成不同的体系结构。通过多体系结构的结合可以解决单一体系结构的不足，提高网络的性能，这也成为片上网络的一个发展趋势。
参考文献
[1]刘炎华，石世领，孙海燕，孙玲，黄新明.基于拥塞和热点感知的低延时片上网络路由器设计[J].微电子学与计算机，2018，35（06）：122-127.
[2]谢国梁，凌翔，胡剑浩.片上网络的互连问题及解决措施综述[J].中国集成电路，2009，18（01）：38-43.
[3]赖国明.特定应用片上网络的研究综述[J].现代计算机（专业版），2014（11）：22-27+48.
作者简介
路玉（1996.3），男，汉族，河南固始人，河南大学欧亚国际学院2017级本科生，通信工程专业，研究方向：移动通信。
[关键词]片上网络；信號；通信；
中图分类号：G711 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0361-01
随着半导体工艺的不断进步，集成电路技术在过去的几十年中得到了飞速的发展，单个芯片上可容纳的晶体管的数目遵循着摩尔定律不断增加，单个芯片可以提供的逻辑资源也越来越丰富。集成电路的设计人员不再受限于芯片的资源，可以在芯片内部集成多个异构的计算单元，从而形成片上系统。片上系统的设计理念是要把计算资源和可重用的组件全部集成在一个芯片中。芯片集成度的提高导致了片上计算资源快速增加，片上各模块间的通信对片上系统的性能影响也随之增大。
传统的片上系统一般采用总线的形式，为了满足日益增长的通信需求，总线结构经历了由单一的共享总线发展到多级桥接总线再到基于交叉开关的设计。随着集成电路和半导体技术不断发展，总线结构的片上系统设计方法面临着各种问题，主要表现在下面几个方面：
（1）可扩展性。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。虽然总线可以有效的连接多个核，但是地址资源总是有限的。而且，虽然总线由多用户共享，但一条总线无法支持一对以上的核同时通信，通信效率是很低的。
（2）全局同步。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以后连线延迟造成的影响将严重到无法设计全局时钟的程度，而且由于时钟网络的庞大，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王作将变得极其困难。
（3）信号完整性。并行总线无法回避串扰带来的影响。采用屏蔽线的方法可以降低串扰的影响，但占用了更多布线资源，会浪费芯片的空间，增加了芯片的成本。
针对总线结构存在的上述问题，人们提出了一种全新的以通信为中也的集成电路体系结构，也就是片上网络（NoC）。其核必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结构带来的问题。
基于片上网络的片上系统由两个基本部分组成：资源节点和通信节点网络。资源节点可以是计算单元，如CPU、DSP等，也可以是存储器单元，完成系统的计算和存储任务；通信节点负责资源节点之间的信息交换，其基本元件是网络接口单元和路由单元。网络接口单元实现了资源节点和通信网络之间的通信接口，路由单元按照拓扑结构组成网络的物理架构。使用片上网络的结构代替总线结构具有以下几个优点：
（1）片上网络类似于计算机网络，支持多对网络节点并发交换数据，在一定的数据带宽下，可以获得更高的全局数据吞吐率，提高了系统的并行能力。此外，接入片上网络的核对应唯一的一个ID，从理论上说可以获得无限的系统地址空间，具有良好的可扩展性。
（2）片上网络采用全局异步与异步同步的通信机制。片上网络的IP核工作在自己的局部时钟域内，局部同步系统与片上网络路由单元之间以及片上网络路由单元之间采取异步方式进行通信。由于取消了全局时钟，所以避免了时钟抖动和偏移问题，并且可以大幅度降低芯片的动态功耗。
（3）片上网络采用基于数据包的传输方式，可以比较容易的加入端到端、路由单元到路由单元和混合型的检错和纠错机制，用于处理芯片内部的信号串扰。NoC甚至可以使用多路径路由的方法避开芯片内全局连线的故障。
（1）存储结构的问题。缓存是NoC中十分重要的单元，占据芯片一半以上的面积，而且还有递増的趋势。从功耗的角度来看，缓存消耗的功率可达总功率的90%，给芯片的散热和封装技术带来严重的问题。NoC中大量的存储资源将占用多个路由节点，在传输时将带来很大的延迟。如何有效的缩短源节点到目的节点间的距离、如何充分利用有限访存带宽以及片上存储空间，对提高整个NoC系统性能十分关键。
（2）软件并行化问题。基于多核的高性能处理芯片可能会遇到很多传统的串行程序，如果不能有效的利用NoC片上并行处理资源，则实际的计算性能将会很低。因此，如何通过有效的方法和模型，充分的利用NoC的众多处理单元并极大的降低应用的开发难度，便成为迫切需要解决的问题。
（3）功耗问题。随着集成电路和工艺的发展，在单芯片上集成的处理单元越来越多，功耗问题将日益突出。尽管全局异步、局部同步的特性在一定程度上降低了NoC的功耗，但NoC所引入的多处理器系统间的通信功耗仍是一个突出的问题。如何在NoC设计中对众多的资源进行调度管理，对于NoC在高性能计算和嵌入式领域的应用具有重要的现实意义。
随着处理器体系结构进入多核/众核时代，芯片数目与日俱增，传统NoC中远距离传输会带来高延迟高能耗等问题，扩展性、空间等问题也是巨大的挑战。为了缓和NoC中复杂的通信问题，人们提出了一些新的互连结构，如3D片上网络、片上光网络、无线片上网络。
（1）3D片上网络
3D片上网络是将资源节点分布在不同的物理层上，并用立体架构实现节点间的互连的NoC系统。3D片上网络克服了平面布局的限制，増加了垂直方向的扩展，在真正意义上缩短了物理连线的长度，降低了延迟和功耗，提高了系统性能。同时增加了封装密度，减少了苍片面积。
3D片上网络也面临着一些挑战。在传统3D片上网络中，散热会对网络的性能产生影响，在密度更大面积更小的3D片上网络中，散热问题更是一个不可忽视的问题。另外，层与层之间的锅合电容引起的串扰问题也是需要考虑的。
（2）片上光网络
电信号在芯片上传递时会遇到带宽和功耗瓶颈，因此片上光网络采用光信号来代替电信号。光波在高速传递和处理时具有传输带宽高、信号间延迟低、光损耗低、抗干扰等优点。在片上光网络中，当光链路建立后，消息传输不再需要存储、中继等过程，功耗比起传统片上网络要低得多。
（3）无线片上网络
无线片上网络使用无线连接来替代传统片上网络中的有线连接。在今天大多数无线片上网络中，无线连接是用于节点间远距离传输并具有低网络延迟、低能耗的捷径。无线片上网络中节点间可以使用无线进行连接，提高了芯片空间的利用率，同时也提高了网路的扩展性。
由于不同的体系结构针对的是不同的问题，可以将不同的体系结构合理的进行结合，比如片上光网络可以向3D片上光网络发展，3D片上网络长距离传输可以使用无线连接，无线片上网络的不同子网可以设置成不同的体系结构。通过多体系结构的结合可以解决单一体系结构的不足，提高网络的性能，这也成为片上网络的一个发展趋势。
参考文献
[1]刘炎华，石世领，孙海燕，孙玲，黄新明.基于拥塞和热点感知的低延时片上网络路由器设计[J].微电子学与计算机，2018，35（06）：122-127.
[2]谢国梁，凌翔，胡剑浩.片上网络的互连问题及解决措施综述[J].中国集成电路，2009，18（01）：38-43.
[3]赖国明.特定应用片上网络的研究综述[J].现代计算机（专业版），2014（11）：22-27+48.
作者简介
路玉（1996.3），男，汉族，河南固始人，河南大学欧亚国际学院2017级本科生，通信工程专业，研究方向：移动通信。