作者：Arm 架構(gòu)與技術(shù)部產(chǎn)品管理總監(jiān) Francisco Socal

Arm 長(zhǎng)期以來(lái)攜手生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)高級(jí)微控制器總線架構(gòu) AMBA 共同解決復(fù)雜的全行業(yè)問(wèn)題。如今，隨著行業(yè)對(duì)芯粒 (chiplet) 的采用，AMBA 也是時(shí)候從單個(gè)片上拓展至多芯片了。

本文將簡(jiǎn)要介紹 AMBA 的一致性集線器接口 (Coherent Hub Interface, CHI) 芯片到芯片 (C2C) 方法。CHI C2C 是對(duì)片上 CHI 的拓展，該方法目前正處于開(kāi)發(fā)階段，旨在使 CHI 適用于芯片間及芯粒間的互連。

此外，本文還將闡述 AMBA CHI C2C 如何完善比如通用芯?；ミB技術(shù) (UCIe) 等芯粒的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以進(jìn)一步推動(dòng)協(xié)同合作。

為何選擇芯粒，又為何是現(xiàn)在？

行業(yè)目前正處于一個(gè)拐點(diǎn)，芯粒正被廣泛用于各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域和應(yīng)用。

當(dāng)前系統(tǒng)級(jí)芯片 (SoC) 設(shè)計(jì)面臨的巨大經(jīng)濟(jì)壓力推動(dòng)了行業(yè)對(duì)芯粒的投資。SoC 的復(fù)雜性和性能要求持續(xù)增加，同時(shí)每個(gè)新的先進(jìn)芯片工藝節(jié)點(diǎn)（5 納米及以下）的成本也在不斷攀升。然而，這些新節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的好處并沒(méi)有相應(yīng)增加。例如，雖然邏輯器件持續(xù)擴(kuò)展，但 I/O 和內(nèi)存的收益卻在遞減。高昂的成本也阻礙了新的 SoC 或衍生產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

這種情況為芯粒創(chuàng)造了絕佳的機(jī)會(huì)。芯粒使芯片性能不再受到尺寸的限制，同時(shí)還能管理芯片成本，并提供更高的可組合性。

標(biāo)準(zhǔn)化至關(guān)重要

AMBA[1] 一直是片上通信的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。它為各種設(shè)計(jì)提供了一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，確保 SoC 上的不同組件之間相互兼容。它還具有靈活性、可擴(kuò)展性、設(shè)計(jì)復(fù)用以及低摩擦設(shè)計(jì)集成的優(yōu)點(diǎn)。

AMBA 規(guī)范（如 CHI 和 AXI）是免費(fèi)提供的[2]，并由行業(yè)合作伙伴共同參與制定。AMBA 被廣泛應(yīng)用于 Arm 生態(tài)系統(tǒng)及其它領(lǐng)域。它具備久經(jīng)驗(yàn)證的可靠性和可信賴(lài)度，在過(guò)去 27 年中已被用于數(shù)十億顆芯片中，覆蓋各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域。

AMBA 實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化成為當(dāng)今 SoC 設(shè)計(jì)和無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體模式的基礎(chǔ)。這種標(biāo)準(zhǔn)化為構(gòu)建繁榮生態(tài)系統(tǒng)和兼容 IP 和工具的綜合市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。其中包括處理器、加速器、互連、控制器和外設(shè)，以及來(lái)自芯片合作伙伴、IP 供應(yīng)商和其他合作伙伴的驗(yàn)證 IP (VIP)、建模工具和性能工具。

標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)芯粒的采用同樣至關(guān)重要。隨著行業(yè)從當(dāng)前的定制芯粒平臺(tái)向多供應(yīng)商的可組合芯粒發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于未來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放芯粒生態(tài)系統(tǒng)更為關(guān)鍵。

具有定義明確的可互操作層對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化方法也十分重要。定義明確的可互操作層可支持設(shè)計(jì)復(fù)用，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。根據(jù)用例和需求的不同可以?xún)?yōu)先選擇合適的實(shí)現(xiàn)方案，從而提供更大的靈活性并促進(jìn)創(chuàng)新。

芯粒的發(fā)展依賴(lài)于物理層、傳輸層和協(xié)議層的標(biāo)準(zhǔn)化，外加軟件模型、機(jī)械、散熱和功耗的標(biāo)準(zhǔn)。另外，還少不了芯片驗(yàn)證、可靠性測(cè)試、合規(guī)性測(cè)試及許多其它工作。

為何選擇 AMBA CHI？

AMBA CHI[3] 架構(gòu)可為連接大量處理器、加速器和內(nèi)存的系統(tǒng)提供所需的性能和規(guī)模。更根本的是，CHI 具有高速、可靠和可分組特性，因此非常適合用于芯粒。同時(shí)，CHI 是廣泛使用的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，為采用芯粒提供了一種低風(fēng)險(xiǎn)且簡(jiǎn)單直接的途徑。

CHI 協(xié)議提供了一個(gè)全緩存一致性模型。該模型與架構(gòu)無(wú)關(guān)，支持通過(guò) snoop 過(guò)濾器和基于目錄的系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。該協(xié)議于 2013 年公布后便不斷發(fā)展演進(jìn)[4]，不僅增加了新功能，還進(jìn)行了性能提升[5]。CHI 有著廣泛的功能和特性，例如：

原子級(jí)和獨(dú)占事務(wù) (transactions)

用于降低延遲的優(yōu)化流程，如 DMT、DCT 和 DWT

基于奇偶校驗(yàn)的接口保護(hù)

低功耗，具有多種不同的控制級(jí)別

寫(xiě)零、數(shù)據(jù)省略和本地復(fù)制，以減少數(shù)據(jù)傳輸

分布式虛擬內(nèi)存 (DVM) 管理

用于機(jī)密計(jì)算的機(jī)密領(lǐng)域管理擴(kuò)展 (RME)

CHI 作為超大規(guī)模計(jì)算、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的基石，已經(jīng)取得了巨大成功。CHI 現(xiàn)已廣泛用于移動(dòng)設(shè)備和汽車(chē)等多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的諸多應(yīng)用并得到了驗(yàn)證，而這些應(yīng)用也需要完整的硬件一致性和高性能。

AMBA CHI C2C 的推出

我們很高興介紹 AMBA CHI C2C，這是對(duì) CHI 的擴(kuò)展，并將主要用于芯片（芯粒）間互連。

對(duì)于芯片（芯粒）到芯片（芯粒）(C2C)，我們指的是芯粒（即多芯片或芯片間）和芯片間（即通過(guò) PCB 連接的多芯片）。

CHI C2C 面向先進(jìn)異構(gòu)系統(tǒng)用例以及基于 Arm 架構(gòu)的一致性 SMP。它為設(shè)備連接提供了統(tǒng)一的接口，包括計(jì)算、加速器和內(nèi)存。這不僅適用于全一致性傳輸，也適用于 I/O 和非一致性傳輸。

CHI C2C 專(zhuān)注于協(xié)議層和分包層。它利用現(xiàn)有的片上 CHI 協(xié)議并對(duì)其分包方式進(jìn)行定義，使其適合通過(guò)芯片（芯粒）間鏈路進(jìn)行傳輸。分包格式對(duì)鏈路利用率和延遲進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)避免了復(fù)雜的分包和解包方案。

相同的架構(gòu)特性可以跨越芯片（粒）間的邊界，芯片（粒）間可以共享相同的內(nèi)存和安全模型。這可以避免出現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、不兼容和額外的時(shí)延。這種分層方法可以與底層傳輸徹底分離，因此 CHI 可以在 UCIe 等選項(xiàng)上使用，無(wú)論它們是否已標(biāo)準(zhǔn)化。

使用 CHI 和 UCIe 串流

行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者紛紛加入 UCIe[6] 以提供標(biāo)準(zhǔn)化的芯片間 (die-to-die) 接口，其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁[7]。UCIe 提供了針對(duì)芯片間集成而優(yōu)化的物理層 (PHY) 和適配器，以及軟件模型和合規(guī)性測(cè)試。

UCIe 還提供了極大的協(xié)議靈活性。該技術(shù)采用了一種多堆棧方法，允許在單個(gè)物理鏈路上使用多個(gè)協(xié)議。PCIe 和 CXL 可用于傳統(tǒng)片外設(shè)備，而串流接口可用于插入其它協(xié)議，因此非常適合用于傳輸 AMBA CHI。

下面列舉了一個(gè)使用 UCIe 串流的基于 CHI 的多芯片系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

無(wú)縫使用架構(gòu)特有的功能：由于是傳輸相同的片上 CHI 協(xié)議，因而允許無(wú)縫使用架構(gòu)特有的功能，而無(wú)需轉(zhuǎn)換協(xié)議。

鏈路穩(wěn)健性：UCIe 串流接口使用 UCIe 定義的數(shù)據(jù)鏈路 CRC 和重試等方式實(shí)現(xiàn)鏈路穩(wěn)健性。

總結(jié)

CHI C2C 規(guī)范目前正處于開(kāi)發(fā)階段，與所有其它 AMBA 規(guī)范一樣，它將按照現(xiàn)有的 AMBA 許可和治理模型發(fā)布。這意味著，除了免費(fèi)提供、免版稅且無(wú)架構(gòu)要求外，它還具有廣泛和永久的實(shí)現(xiàn)權(quán)[注]，換言之，非常適合廣泛采用。

通過(guò)利用現(xiàn)有的 AMBA 許可和治理模型，CHI C2C 將能夠與 CHI 協(xié)議本身保持同步發(fā)展，并符合現(xiàn)有 AMBA 生態(tài)系統(tǒng)的要求。當(dāng)然，我們要確保它針對(duì) UCIe 等傳輸進(jìn)行了優(yōu)化。

該模型沿用了分層的標(biāo)準(zhǔn)化方法和其它協(xié)議的現(xiàn)有治理模型，如 CXL 和 PCIe，也可以與 UCIe 一起使用?；诖?，我們預(yù)計(jì) CHI C2C 將廣泛用于各個(gè)細(xì)分市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域。隨著時(shí)間的推移，將從高性能基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用拓展到汽車(chē)行業(yè)等等。此外，現(xiàn)有基于 AXI 設(shè)計(jì)的數(shù)量龐大，這對(duì)于在 C2C 中的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

展望未來(lái)，我們期待繼續(xù)圍繞 C2C 與各方展開(kāi)合作，并為行業(yè)提供各種工具，以構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)秀芯粒解決方案。

審核編輯：湯梓紅