半導体黄金時代の設計の複雑さ

書きながら 先月のブログ これまでに見たトレンド チャートの一部を使用した結果、多くのデータが 2020 年かそれ以前に終了することに気づきましたが、期限が近すぎて座って一部のチャートを秩序正しく更新することができませんでした。 SoC 統合とネットワーク オン チップ (NoC) の分野で日々取り組んでいます。 Karl Rupp の 50 年分のプロセッサ データ ムーアの法則トランジスタにシングルスレッドのパフォーマンス、プロセッサ周波数、標準電力、プロセッサ コアの数を重ね合わせたものは重要ですが、完全ではありません。はい、プロセッサ コアは不可欠ですが、NoC を使用して接続され、私たちが開発したものを使用して統合される他の多くのタイプのシリコン IP ブロック (SIP) があります。 アルテリス 「SoC統合自動化」と呼ばれます。

そこで、関連するソース データを探し、新しいビジュアライゼーションをいくつか開発しました。

NoC プロトコルの複雑さ

まず、複雑さの観点から NoC を見てみましょう。以下のグラフは、図で概説したトランジスタの複雑さの進化を示しています。 トランジスタのウィキペディアページ。 CPU と GPU を分離しました。後者は 1990 年代半ばから本格的に始まります。当然のことながら、グラフのこの部分はトランジスタのコストを考慮せずにムーアの法則を示しており、将来のバージョンでこれを重ね合わせる予定です。

赤いデータ ポイントは SIP ブロックの数であり、SHD グループの Richard Wawrzyniak の許可を得ています。 400 年には、アドバンスト マルチコア SoC の SIP ブロック数は約 2023 に達すると考えられます。これは対数スケールであることに注意してください。そのため、2000 年代初頭、業界の SIP ブロック数は下 XNUMX 桁でしたが、その数は増加し続けていました。速い。

図 1: トランジスタとネットワークオンチップ (NoC) の複雑さの経時変化。

これらすべての SIP ブロックは相互に通信する必要があるため、NoC 用のプロトコルの開発が生まれました。最も有名なプロトコルは、  高度なマイクロコントローラー バス アーキテクチャ (AMBA)。 それは、 自由に利用できる、オープンスタンダード 機能ブロックを接続して管理し、その複雑さをページ数で測定してグラフ化します。 1996 年にリリースされた AMBA の最初のバージョンには、Advanced System Bus (ASB) と Advanced Peripheral Bus (APB) という 106 つのバスが含まれており、1999 ページありました。 204 年にリリースされた XNUMX 番目のバージョンでは、シングル クロック エッジ プロトコルである AMBA ハイパフォーマンス バス (AHB) が追加されました。仕様書は XNUMX ページありました。

AMBA の 2003 番目のバージョンは 260 年にリリースされ、高性能のマルチチャネル プロトコルである AMBA Advanced eXtensible Interface (AXI) が導入されました。 2006 年には総ページ数が 4 ページに増加しました。AMBA 2010 は 534 年にリリースされ、キャッシュ コヒーレンシと電源管理を可能にする AMBA AXI Coherency Extensions (ACE) および AMBA Low-power Interface (LPI) プロトコルが追加されました。 2012 年には、仕様は合計 XNUMX ページに増加しました。

5 年にリリースされた最新バージョンの AMBA 2013 では、完全にコヒーレントなプロセッサと高性能インターコネクトを接続するためのインターフェイスを定義する AMBA コヒーレント ハブ インターフェイス (CHI) アーキテクチャが導入されました。また、以前のプロトコルを拡張して、サービス品質やアトミック操作などの新機能をサポートしました。 2023 年までに、AMBA 5 関連仕様の総ページ数は 1398 に増加し、さまざまなバージョンの CHI とアダプティブ トラフィック プロファイル (ATP でマーク)、汎用フラッシュ バス プロトコル (GFP)、分散変換インターフェイス (DTI) の仕様が含まれます。ローカル変換インターフェイス (LTI) は、I/O デバイスと Arm システム メモリ管理ユニット (SMMU) の変換ルックアサイド バッファ ユニット (TLBU) の間のポイントツーポイント プロトコルを定義します。

ちなみにArmさんのおかげで フランシスコ・ソーカル このプロジェクトに関する彼の意見に対して。彼は、最近の AXI-J の導入により、AMBA の複雑さは 2003 年に若干低下するだろうと私に警告しました。レガシー コンテンツを削除することでドキュメントが大幅に簡素化され、AXI5 には ACE5-Lite、ACE5-LiteDVM、および AXI5-Lite として構成できる汎用インターフェイスが追加されました。

この時点で、私と同じように「TLA および FLA ブルー」（3 文字と 4 文字の頭字語）を持っている場合は、AMBA の NoC には特別な専門知識が必要であることが明らかです。そこで私たち Arteris は、 フレックスNoC および Nコア 非コヒーレントおよびコヒーレント プロトコルの IP。

しかし、待ってください、もっとあります。

上のグラフの右下は、他の 4 つの関連プロトコルの導入のタイムラインを示しています。

• 　 オープンコアプロトコル (OCP) オンチップ相互接続の標準です。これは、2007 年に SPIRIT コンソーシアムによって初めて導入されました。最新バージョンの OCP 3.0 は 2022 年にリリースされました。
• 　 TileLink NoC プロトコル RISC-V に焦点を当てたオンチップ相互接続の標準です。 2016 年に RISC-V Foundation によって初めて導入されました。最新バージョンの TileLink 1.3 は 2022 年にリリースされました。
• 　 アクセラレータ用のキャッシュ コヒーレント インターコネクト (CCIX) は、プロセッサ、メモリ、アクセラレータを接続するための高速相互接続規格で、2016 年に初めて導入されました。
• 　 Compute Express Link（CXL） は、プロセッサ、メモリ、アクセラレータを接続するための高速相互接続規格で、2019 年に初めて導入されました。

このグラフでは、これらのプロトコルの複雑さをページ数、タイムラインのみで示しているため、別のブロックで説明されています。

結論: NoC の世界は複雑であり、NoC は複雑な SoC、そしてますますチップレットベースの設計を可能にするために重要です。

SoC 統合の複雑さ

これで、多数の商用 SIP ブロックとすべての差別化ブロックが完成しました。ここからどこへ行くのですか？ SoC 統合の自動化がその答えです。以下のグラフは、時間の経過とともに増大する複雑さと SIP ブロック数に対して業界がどのように対応してきたか、そして現在もどのように対応しているかを示しています。

図 2: トランジスタと SoC の統合の複雑さの経時変化。

このチャートは、上で説明したトランジスタの複雑さと SIP ブロックの数を繰り返しています。しかし現在では、SoC アセンブリ、つまり商業的に取得されたものと社内で開発された大量の RTL ブロックの管理を扱う試みと標準が重なっています。 IP-XACT は、ここで覚えておくべき重要な用語です。

図にあるように、VSI Alliance は、IP 再利用のための標準とソリューションを提供することで SoC 設計コミュニティの生産性を向上させることを目的として 1996 年に設立された組織です。 SPIRIT コンソーシアムは、IP コンポーネントと設計を記述するための XML 形式である IP-XACT 標準を開発および仕様化するために 2003 年に設立されたもう 2008 つの組織です。 XNUMX 年に、VSI Alliance と SPIRIT Consortium は合併して、設計および検証標準の作成を専門とする業界団体である Accellera になりました。 Accellera は、IP-XACT 標準を維持および更新します。

2004 年に、IP-XACT の最初のバージョンとして IP-XACT 1.0 がリリースされました。 SIP ブロックのレジスタ転送レベル (RTL) の動作の説明に重点を置いています。その後、2005 年にバージョン 1.1 で、SIP ブロック トランザクション レベル モデリング (TLM) の動作を定義するためのサポートが追加されました。 2006 年のバージョン 1.2 では、IP ブロックの物理実装を記述するためのサポートが追加されました。バージョン 1.4 では、2008 年に IP ブロックの検証を定義するためのサポートが追加されました。合併後、IEEE Std. 1685-2009 は、2009 年に IEEE によって承認された IP-XACT の最初のバージョンです。 1685-2014 では、IP ブロックのセキュリティを記述するためのサポートが追加されました。本日、IP-XACT の最新バージョン、IEEE Std. 1685-2022、SIP ブロックのベンダー拡張の定義をサポートします。

Outlook

グラフは 2023 年の今日までの傾向を示していますが、SoC 設計とチップレットベースの設計はどちらもここからさらに複雑になるばかりです。 NoC プロトコルはさらに複雑になり、接続される RTL ブロックの海はますます深遠かつ広範囲になる一方です。電源領域を再定義するときに、RTL を手動でリファクタリングしますか?いいえ、そうではありません!そこで、IP-XACT ベースの SoC 統合自動化が登場します。

NoC SIP の再利用と IP-XACT ベースの SoC 統合自動化は、設計コストを抑制し、半導体黄金時代の生産性を向上させるために重要です。