通过智能NoC自动化打破SoC设计的壁垒

半导体设计的发展推动了现代片上系统（SoC）达到前所未有的复杂程度。当今最先进的SoC通常集成数百个智能属性（IP）块，涵盖多个处理单元、专用加速器和高速互连。这一快速扩展还得益于多芯片架构的兴起，旨在将扩展性和性能扩展到传统单片设计的限制之外。

这些进步带来了重大挑战，尤其是在管理实现芯片间无缝数据流的互连结构方面。传统的互连解决方案，如交叉开关和总线架构，已被片上网络（NoC）取代，后者提供可扩展的高带宽通信，同时优化电力效率。

不过，工程师仍需手动实现NoC设计的某些方面，使得工艺劳动强度较大。任何设计任务都是手动完成的，都可能引入错误。然而，随着SoC规模的扩大，NoC设计已达到一个临界点，手动实现已不可行。

NoC设计中的挑战

设计高效的NoC是一个多方面的过程，涉及众多相互依赖关系。它首先定义每个IP块的通信需求，指定接口协议、数据宽度和性能约束。设计者还必须确定NoC的拓扑结构，从网格或树形配置中选择，以优化带宽、延迟和面积。

路由拥堵是另一难题，尤其是在先进的工艺节点中，线路延迟增加了互连密度，加剧功耗和信号完整性问题。设计者必须在功耗、性能和面积（PPA）之间权衡，同时确保NoC与更广泛的SoC架构无缝集成。

不断增加的处理元件使这些工作更加复杂，需要对缓冲区、流水线阶段等进行精确调优以保持效率。这些权衡必须被谨慎管理，以优化整体性能。

向NoC自动化的范式转变

鉴于这些挑战，行业必须转向利用机器学习（ML）启发式算法和智能算法优化NoC生成的自动化解决方案。自动化NoC生成需要智能NoC IP来解决传统设计方法中的多个痛点。

自动化NoC设计可以将开发周期缩短一个数量级，将迭代时间从数周缩短到几天。自动化的NoC解决方案消除了耗时的人工调整，实现了快速的设计探索和融合。工程师可以在更短时间内遍历多个NoC配置，以最小的人工干预评估各种权衡。

这种加速的工作流程不仅缩短了整体项目进程，还使团队能够快速响应变化的设计需求，确保资源利用更高效。

智能算法能够识别最优的NoC布局，将线路长度最小化超过20%，延迟减少10%或更多。通过分析连接模式和流量需求，这些算法确保数据路径尽可能高效，同时避免拥堵和过度的路由复杂性。

自动化拓扑优化还考虑了物理设计限制，如布局阻塞和时序闭合挑战，打造出在高性能与能效之间取得平衡的互连结构。这造就了一个更具可扩展性和适应性的NoC架构，能够满足AI、高性能计算（HPC）及其他数据密集型应用的需求，避免不必要的开销或瓶颈。

支持单片SoC和多芯片架构，自动化确保了不同设计间的高性能连接。随着SoC不断复杂，集成多个计算元件、加速器和内存子系统，NoC自动化提供了灵活调整互连设计以适应不同配置的能力。

这种适应性对于下一代人工智能、高性能计算和汽车系统应用至关重要。这些系统中的异构处理元素必须在统一设计中高效协作。

高级自动化包含布置和布线约束，减少拥塞并提升硅片面积效率。通过在NoC生成过程早期整合物理设计意识，自动化解决方案确保互连在逻辑性能方面得到优化。

智能NoCIP分析楼层平面约束，识别出最小化线路长度和减少时序瓶颈的最佳路由路径。此外，它还考虑了电力分配、热量和拥塞热点，从而提升整体硅片利用率。这使设计流程更具可预测性，布局与布线过程中所需的迭代次数更少，最终加快了流片时间，同时保持高性能互连完整性。

实际性能提升

领先的半导体公司已实施自动化智能NoC知识产权生成，报告称生产率和硅片效率均有显著提升。有一次，开发团队在开发ADAS SoC时，从手动NoC设计流程转向自动化工作流程。

最初，手动方法的拓扑生成需要20小时，后来由经验丰富的NoC工程师优化至3小时。然而，自动化后，同一任务最初只需四小时，后续迭代仅需10分钟。

另一个例子是固态硬盘（SSD）控制器SoC，手动设计NoC时拓扑编辑和流水线需要33小时。采用自动化方法，设计时间缩短至5.5小时，缩短了83%。除了节省时间外，线材总长度缩短了25%，直接提升了电力效率和性能。

更智能的NoC设计方法

这种自动化水平对于满足现代SoC设计的需求至关重要，因为手工互联实现已不再可行。例如，Arteris的FlexGen智能NoC知识产权提供了突破性解决方案，利用先进算法智能自动化NoC生成，同时确保最佳性能、能效和可扩展性（见图）。

FlexGen自动化优化了NoC设计，相比手动方法降低了功耗和延迟。

FlexGen的另一个优势是物理感知，确保NoC设计在流程早期就符合户型限制和布线要求。这改善了时序闭合，减少拥塞，优化了硅面积，使设计流程更加可预测和高效。

此外，FlexGen通过解决先进工艺节点的线材管理挑战，提升了硅片效率。其智能启发式优化数据路径路由，进一步减少拥堵并提升能源效率。

FlexGen 智能 NoC IP 支持双接口方法，支持图形设计和脚本设计。这使得设计者能够迭代优化互连拓扑结构，同时保持对性能、拥塞和物理设计约束等关键参数的控制。工程师可以在设计过程中保持效率和可扩展性的同时，微调连接性。FlexGen 支持自动 NoC 生成与手动调优的结合，确保设计团队能够根据需要调整 NoC 实现。

通过与物理设计工具无缝集成，FlexGen智能NoC知识产权有助于加快开发周期，减少线路拥塞，并提升硅片利用率。

随着半导体复杂性不断提升，NoC自动化在实现高效、可扩展和高性能SoC设计中的作用变得愈发关键。自动化NoC解决方案通过消除手动瓶颈、缩短设计时间和优化互联效率，助力半导体公司加速人工智能、高性能计算、汽车和存储应用领域的创新。

向自动化的转变不仅仅是方便，更是满足下一代计算架构需求的必备。