互联裸芯、互联微组件、互联微系统及其通信方法

摘要

本发明涉及裸芯之间的连接，尤其是互联裸芯，包括：协议转换电路，所述协议转换电路包括多个协议转换模块，用于提供多种与外部连接的标准主流协议接口；外部互联接口，所述外部互联接口包括一对同步控制器，用于与其他互联裸芯进行通信；及内部裸芯级网络，所述内部裸芯级网络包括传输总线和路由器，所述同步控制器和所述协议转换模块均分别与内部裸芯级网络的边界节点连接，用于传输来自接口或其他互联裸芯的数据包。该互联裸芯支持接口扩展和片间级联，硬件电路简洁，功能层次划分清晰，具有良好的可扩展性，克服了目前多裸芯系统技术封闭、体系庞杂、扩展性差的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及裸芯之间的连接，尤其是互联裸芯、互联微组件、互联微系统及其通信方法。

背景技术

随着数字集成电路的发展，片上系统（Systemon Chip，SoC，指将多个功能模块集成到同一个硅片上）几乎已经成为了实现高性能系统的必要方案，生产厂商通过不断扩大SoC的规模来满足用户对产品性能的需求。然而，受到加工工艺等因素的限制，摩尔定律（即集成电路上可容纳的晶体管数目每经约24个月增加一倍的规律）正在逐渐失效，这使得在单个硅片上扩大集成电路规模的成本和开发周期变得极高。

未来集成电路将朝多裸芯（Die）集成方向发展，即将多个功能各异且已通过验证、未被封装的芯片组件互联组装起来，并封装为同一管壳中的芯片整体，从而形成封装级网络（Networkon Package,NoP）。这些裸芯可以采用不同工艺、来自不同厂商，因此极大缩短和降低了开发周期和难度。

在建立NoP时，多裸芯的互联面临两个关键问题：速度和可扩展性。

现有的常规片间互联技术属于板级互联，其速度慢，在访问高带宽资源时性能迅速下降；而且当前国外企业采用的多裸芯互联系统主要使用专用协议，整个系统由单个厂商封闭控制，体系庞杂，可扩展性差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种采用封装级互联和高性能片上网络，克服了传统板级互联传输带宽小的缺陷，可扩展性高的互联裸芯，具体技术方案为：

互联裸芯，包括：协议转换电路，所述协议转换电路包括多个协议转换模块，用于提供多种与外部连接的标准主流协议接口；外部互联接口，所述外部互联接口包括一对同步控制器，用于与其他互联裸芯进行通信；及内部裸芯级网络，所述内部裸芯级网络包括传输总线和路由器，所述同步控制器和所述协议转换模块均分别与内部裸芯级网络的边界节点连接，用于传输来自接口或其他互联裸芯的数据包。

进一步的，还包括基本管理单元，所述基本管理单元包括：时钟管理模块，所述时钟管理模块用于将外部时钟输入转换为芯片内部各部分的工作时钟；及配置管理模块，所述配置管理模块用于在系统初始化时配置芯片内部各部分的初始化信息。

互联微组件，包括：所述的互联裸芯；及功能裸芯，所述功能裸芯不少于一个，所述功能裸芯通过协议转换电路与所述可扩展高速互联裸芯连接。

互联微系统，包括：不少于两个的所述的互联微组件；及外部扩展总线，所述互联微组件之间通过外部互联接口和外部扩展总线连接，并采用拓扑结构连接。

互联微系统的通信方法，包括组件内传输方法和跨组件传输方法：所述组件内传输方法包括数据从一个协议转换模块进入内部裸芯级网络，经过内部裸芯级网络后到达另一个协议转换模块；所述跨组件传输方法包括数据经过同步控制器管理的外部扩展总线进行传输。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明提供的互联裸芯支持接口扩展和片间级联，硬件电路简洁，功能层次划分清晰，具有良好的可扩展性，克服了目前多裸芯系统技术封闭、体系庞杂、扩展性差的缺陷，采用高性能的片上网络作为数据传输工具，相比总线式系统传输带宽大、多核适应性强且网络便于扩展，能够在很大程度上利用并支持目前主流的标准协议接口，兼容性好，能够有效降低开发成本、缩短开发周期。

附图说明

图1是互联裸芯的结构示意图；

图2是实施例三互联微组件的结构示意图；

图3是实施例四互联微系统的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

如图1所示，互联裸芯，包括：协议转换电路，所述协议转换电路包括多个协议转换模块，用于提供多种与外部连接的标准主流协议接口；外部互联接口，所述外部互联接口包括一对同步控制器，用于与其他互联裸芯进行通信；及内部裸芯级网络，所述内部裸芯级网络包括传输总线和路由器，所述同步控制器和所述协议转换模块均分别与内部裸芯级网络的边界节点连接，用于传输来自接口或其他互联裸芯的数据包。

传输总线与路由器组成mesh拓扑。

互联裸芯主要由内部裸芯级网络（Network on Die，NoD）、协议转换电路和外部互联接口三部分组成。

NoD用于数据路由和高速传输。

协议转换电路提供多种与外部连接的标准主流协议接口，协议转换电路包括多个将NoD协议转换到主流协议的协议转换模块，用于与其他功能裸芯连接。

外部互联接口主要由一对同步控制器组成，外部互联接口由同步控制器控制实现裸芯内外不同时钟域的数据传输。

外部互联接口、协议转换电路的每个转换模块都分别与NoD中的一个边界节点连接，从而形成数据传输路径。

本发明提出的可扩展高速互联裸芯能够实现互联裸芯扩展其他主流功能裸芯以及互联裸芯间的级联，扩展性强，克服了目前多裸芯系统技术封闭、体系庞杂、可扩展性差的缺陷。

采用封装级互联和高性能片上网络，克服了传统板级互联传输带宽小的缺陷，解决了现有多裸芯系统可扩展性差的问题。

如图1所示，内部NoD由传输总线和路由器构成，主要负责传输来自接口或其他互联裸芯的数据包。外部互联接口是互联裸芯与其他互联裸芯通信的接口，便于系统的扩展和级联。外部互联接口主要由一组同步控制器组成，因为互联裸芯内部和外部通常工作在不同频率的时钟域，因此需要同步控制器控制实现通信。图1中的（4）、（5）为互联裸芯的外部扩展总线。

协议转换电路将内部NoD协议转换为一些主流的通信协议，如DDR（Double DataRate SDRAM，一种动态数据存储器,这里指该器件采用的数据通信协议）、SPI（SerialPeripheral Interface,串行外设接口）、PCIe（Peripheral Component Interconnectexpress，一种高速串行计算机扩展总线标准）等，便于扩展一些通用、成熟的功能裸芯。图1中的（1）、（2）、（3）分别为转换得到的三种不同的协议。

采用上述互联裸芯的优点在于：

1.该互联裸芯支持接口扩展和片间级联，硬件电路简洁，功能层次划分清晰，具有良好的可扩展性。克服了目前多裸芯系统技术封闭、体系庞杂、扩展性差的缺陷。

2.该互联裸芯采用高性能的片上网络作为数据传输工具，相比总线式系统传输带宽大、多核适应性强且网络便于扩展。

3.该互联裸芯能够在很大程度上利用并支持目前主流的标准协议接口，兼容性好，能够有效降低开发成本、缩短开发周期。

实施例二

在上述实施例一的基础上，如图1所示，互联裸芯还包括基本管理单元，所述基本管理单元包括：时钟管理模块，所述时钟管理模块用于将外部时钟输入转换为芯片内部各部分的工作时钟；及配置管理模块，所述配置管理模块用于在系统初始化时配置芯片内部各部分的初始化信息。

基本管理单元包括时钟管理单元和配置管理单元（Configuration ManagementUnit,CMU），两者均独立于可扩展高速互联裸芯，前者用于将外部时钟输入转换为裸芯内部各部分的工作时钟，后者用于在系统初始化时配置裸芯内部各部分的初始化信息。

实施例三

如图2所示，互联微组件，包括：所述的互联裸芯；及功能裸芯，所述功能裸芯不少于一个，所述功能裸芯通过协议转换电路与所述可扩展高速互联裸芯连接。

功能裸芯可以是任意裸芯形态的功能模块，功能裸芯包括：MPU、DDR、DSP、FPGA、BOOT ROM和加速器中的一种或多种。

将本发明提出的互联裸芯通过协议转换电路同各种功能裸芯组装起来，便组成了微组件。这些功能裸芯可以是MPU（Micro Processing Unit，微处理器）、DDR、DSP（DigitalSignal Proccesor，数字信号处理器）、FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）、BOOT ROM（用于系统启动的只读存储器）以及一些专用的加速器，如人工智能（AI）加速器等。

实施例四

如图3所示，互联微系统，包括：不少于两个互联微组件；及外部扩展总线，所述互联微组件之间通过外部互联接口和外部扩展总线连接，并采用拓扑结构连接。

将多个微组件通过互联裸芯的外部互联接口互相连接起来，便组成了微系统。

互联裸芯的扩展、级联方式和数据传输方式，即互联裸芯-微组件-微系统的三级系统结构。

互联裸芯通过协议转换电路与各种功能裸芯连接起来，形成微组件，多个微组件通过互联裸芯中的外部扩展总线、采用一定的拓扑互联起来，形成微系统。

裸芯内部的数据传输须从一个协议转换接口出发，进入NoD,经过路由后到达另一个协议转换接口。跨裸芯的数据传输须经过同步控制器管理的外部互联总线。

实施例五

互联微系统的通信方法，包括组件内传输方法和跨组件传输方法：

所述组件内传输方法包括数据从一个协议转换模块进入内部裸芯级网络，经过内部裸芯级网络后到达另一个协议转换模块；

所述跨组件传输方法包括数据经过同步控制器管理的外部扩展总线进行传输。

具体的，如图2和图3所示，以四个微组件组成的微系统进行说明。

该微系统包括四个微组件，微组件之间通过环形拓补结构互联。其中微组件1中的互联裸芯挂载了AI1（指AI加速器，下同）、BOOTROM1、和DDR1（这里DDR1指本系统中DDR的ID标号，而非DDR版本型号，下同），微组件2中的互联裸芯挂载了MPU1、FPGA1、BOOTROM2、和DDR2，微组件3中的互联裸芯挂载了DSP1、AI2、BOOTROM3、MPU2和DDR3，微组件4中的互联裸芯挂载了DDR4、FPGA2、DSP2和BOOTROM4。

如图3所示，在微组件3中的互联裸芯中，设有5个协议转换模块，分别实现了内部NoD协议到DSP协议、PCIe、SPI、MPU协议和DDR的转换，从而作为互联裸芯访问DSP1、AI加速器2、BOOTROM3、MPU2和DDR3的接口。该互联裸芯中的两个同步控制器分别管理两条外部互联总线，这两条总线分别连接微组件1和微组件4，实现了微组件之间的互联。此外，互联裸芯内部的时钟生成模块（或时钟管理单元）接收外部时钟输入，并将其转化为c1、c2和c3三个时钟，分别用于驱动协议转换电路、内部NoD和外部互联接口三个功能部分。互联裸芯内部的CMU与外部FLASH连接，FLASH中存有系统初始化信息，系统启动时CMU将这些初始化信息通过配置总线传递到每个协议转换接口，以实现系统初始化。

系统工作时，其数据传输方式可以分为两种情况：组件内传输和跨组件传输。对于组件内传输，如微组件3中MPU2到DDR3的数据传输，数据从MPU2出发，通过MPU协议转换接口进入NoD的一个边界节点，然后经过NoD节点间的多次路由，达到另一个边界节点，通过该节点进入DDR协议转换接口，最终传输至DDR3。对于跨组件传输，如微组件2中FPGA1到微组件3中的AI2的数据传输，数据从FPGA1出发，通过微组件2中FPGA协议转换电路进入NoD,经过路由到达与同步控制器相连的网络节点，经同步控制器控制的外部互联接口进入微组件4中的互联裸芯的外部互联接口，然后在同步控制器控制下进入该裸芯内部的NoD，经过路由到达与另一个同步控制器相连的网络节点，通过外部互联接口进入微组件3中的互联裸芯，最后经NoD的路由进入与AI2相连的协议转换接口，从而传输至AI2。另外，相邻微组件的数据传输和跨多个微组件的数据传输与之类似，不再赘述。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。