加速?lài)a(chǎn)替代，井芯微自研PCIe-SRIO橋接芯片量產(chǎn)

過(guò)去的5~10年里，本土半導體產(chǎn)業(yè)實(shí)現了飛速增長(cháng)，其中尤以芯片設計產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為快速，在模擬芯片和數字芯片等方面均實(shí)現了大范圍的國產(chǎn)替代。時(shí)至今日，進(jìn)口替代已進(jìn)入深水區，尤其是高端芯片的深度替代需要有企業(yè)擔起啃“硬骨頭”的重任，向“深水區”甚至“無(wú)人區”發(fā)起挑戰，互連技術(shù)便是其中需要攻克的難題之一，而傳統互連芯片技術(shù)目前仍被國外巨頭所壟斷。

2022年10月，在經(jīng)過(guò)一年半的攻堅克難之后，井芯微電子技術(shù)(天津)有限公司繼發(fā)布240G網(wǎng)絡(luò )DPU芯片SDI2820后，再度向市場(chǎng)推出國產(chǎn)替代新產(chǎn)品——PRB0400型PCIe轉SRIO(Serial RapidIO)橋接芯片。今年5月，在“晶上聯(lián)盟SDI論壇——RapidIO自主生態(tài)與SDI應用創(chuàng )新大會(huì )”上，井芯微電子芯片研發(fā)部門(mén)王盼部長(cháng)代表公司正式宣布，在完成了包括芯片功能性、系統兼容性、老化穩定性在內的多批次、多類(lèi)型測試之后，PRB0400開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)應用階段。

圖1：井芯微電子PRB0400型PCIe轉SRIO橋接芯片正式落地應用

全正向自主設計

PRB0400芯片自主立項于2021年3月，并于2022年9月完成流片，是一款兼容PCIe Gen2和RapidIO Gen2協(xié)議的高性能數據傳輸橋接芯片，主要用于滿(mǎn)足高可靠低延時(shí)計算處理系統內部各組件之間的互連需求，實(shí)現PCIe協(xié)議網(wǎng)絡(luò )和RapidIO協(xié)議網(wǎng)絡(luò )之間數據互連互通。該芯片可以輕松實(shí)現RapidIO系統與PCIe系統的無(wú)縫連接，實(shí)現兩個(gè)生態(tài)系統的融合。

眾所周知，RapidIO協(xié)議是全球主流的嵌入式系統互連國際標準(ISO/IEC18372)，PCIe則是一種高速串行計算機擴展總線(xiàn)標準。兩種協(xié)議在信息基礎設施中均有較為廣泛的應用以及互連需求，在器件級、板卡級和系統級的設備中大規模地采用了PCIe協(xié)議和RapidIO協(xié)議。

作為成功研制出國內首款RapidIO Gen2交換芯片、首款RapidIO Gen3交換芯片，并提供自主開(kāi)發(fā)配置管理工具的RapidIO自主生態(tài)構建者，井芯微電子始終以更高的代際、更高的性能和更強的互連作為自身發(fā)展目標，努力將SRIO協(xié)議所支持的高可靠、低延時(shí)、高靈活特性拓展到其他協(xié)議領(lǐng)域，

“與競品相比，我們之所以能在如此短的時(shí)間內實(shí)現產(chǎn)品的落地量產(chǎn)，主要得益于公司在軟件定義互連(Software Defined Interconnection，SDI)技術(shù)上的深厚積累和豐富的芯片開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，能夠將許多復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，從而加速了上市時(shí)間?！蓖跖伪硎?。

作為互連技術(shù)的新方向，SDI技術(shù)在2009年由中國工程院鄔江興院士團隊所提出，其核心是打破現有網(wǎng)絡(luò )的剛性體系結構，實(shí)現從物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層到業(yè)務(wù)層全維軟件定義的網(wǎng)絡(luò )體系，從而將剛性網(wǎng)絡(luò )變?yōu)槿嵝跃W(wǎng)絡(luò )，構建可定義、可重組、可重構、可重建的新一代軟件定義體系架構。

井芯PRB0400支持芯片到芯片、板到板間的高效能數據通信，可用于連接CPU、DSP、FPGA等構成的密集型電子系統，用于解決PCIe網(wǎng)絡(luò )與RapidIO網(wǎng)絡(luò )的連接問(wèn)題，同時(shí)內嵌消息引擎和BDMA引擎，可以在無(wú)需主控處理器過(guò)多參與的情況下實(shí)現大量數據的高效傳輸。

圖2：井芯PRB0400擁有PCIe接口、SRIO 接口、消息引擎、映射引擎、BDMA引擎五大主要功能

在井芯PRB0400芯片中，PCIe接口實(shí)現與PCIe相關(guān)的物理層、數據鏈路層和傳輸層協(xié)議功能，SRIO接口則實(shí)現與SRIO相關(guān)的物理層和傳輸層協(xié)議功能。消息引擎用作RapidIO邏輯層消息傳遞，接收和發(fā)送通道均支持8個(gè)獨立的處理引擎。映射引擎則是用于PCIe和RapidIO之間的地址映射和轉換，可根據需要進(jìn)行分割和重組。BDMA引擎支持8個(gè)獨立的DMA通道，其中的每個(gè)DMA通道都可以根據描述符執行讀或寫(xiě)操作。

除此之外，為了更好的幫助用戶(hù)實(shí)現快速開(kāi)發(fā)，井芯微還提供完善的產(chǎn)品用戶(hù)資料(數據手冊、用戶(hù)手冊、軟件使用說(shuō)明)、豐富的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)板卡(功能評估子卡、OPT功能評估板)、廣泛應用場(chǎng)景的參考設計(開(kāi)發(fā)應用手冊、設計兼容性手冊、原理圖設計手冊、用戶(hù)使用手冊)和豐富的軟件工具(RapidIO快速配置軟件、SerDes調節工具、芯片驅動(dòng)軟件)，其中驅動(dòng)軟件支持麒麟、天脈3、統信、FPGA嵌入式等國內主流操作系統。

加速中國新基建市場(chǎng)建設

國內新基建產(chǎn)業(yè)的浪潮、東數西算工程建設以及本土服務(wù)器芯片廠(chǎng)商的崛起，使得市場(chǎng)對國產(chǎn)橋接芯片的需求非常強烈。市場(chǎng)調研數據顯示，國內市場(chǎng)對PCIe轉RapidIO協(xié)議芯片需求迫切，未來(lái)整體市場(chǎng)容量有望超過(guò)40億元。

作為一款PCIe轉RapidIO橋接芯片，井芯PRB0400廣泛應用于各種處理器之間的點(diǎn)對點(diǎn)互連，或者處理器之間RapidIO數據交互等功能實(shí)現的場(chǎng)景，在****傳輸、分布式計算、圖像處理等應用領(lǐng)域都有著(zhù)巨大的市場(chǎng)空間。

在視頻和圖像應用場(chǎng)景中，系統設計人員需要將大量的DSP或者FPGA用于執行編碼/解碼/轉碼，或者對大型數據陣列進(jìn)行快速傅里葉變換，RapidIO協(xié)議最適合這種DSP/FPGA集群要求。在這些應用中，系統的模擬前端通常是一個(gè)傳感器，并端接在FPGA中(例如攝像頭子系統)，井芯PRB0400可以幫助設計人員在PCIe網(wǎng)絡(luò )和RapidIO DSP/FPGA集群之間搭建橋梁——CPU/GPU等處理單元通過(guò)PRB0400接入RapidIO網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)消息引擎進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數據通信。

在無(wú)線(xiàn)****應用場(chǎng)景中，為了保證實(shí)時(shí)性，通信****一般都會(huì )采用高速實(shí)時(shí)傳輸總線(xiàn)RapidIO協(xié)議和PCIe協(xié)議，在RapidIO網(wǎng)絡(luò )的維護管理系統中，RapidIO交換芯片和PCIe轉SRIO橋接芯片用于各種處理器之間的點(diǎn)對點(diǎn)互連以及RapidIO數據交互等功能實(shí)現。對于處理器與RapidIO網(wǎng)絡(luò )連接系統，PCIe轉RapidIO橋接芯片則用于解決系統連接的難題，并提升系統的運算效能。

在高性能處理應用中，井芯PRB0400實(shí)現將CPU處理器的PCIe總線(xiàn)連接到RapidIO背板總線(xiàn)，可為系統提供CPU處理器的高性能運算能力，以及RapidIO架構突出的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )傳輸性能。

打造自主“易用好用愿用”生態(tài)

在系統設計上，井芯PRB0400可原位替代對標國際產(chǎn)品，并兼容其官方驅動(dòng)。此外，井芯PRB0400兼容國內主流CPU和 DSP，并完成了對應的生態(tài)測試。目前已完成與飛騰、龍芯、x86、Zynq等PCIe RC設備對應的生態(tài)測試，實(shí)現了對國際廠(chǎng)商的相關(guān)產(chǎn)品在硬件和軟件兩個(gè)層面的原位替代。

易用、好用、愿用，是井芯微在兼容替代戰略方面提出的三大愿景。

所謂“易用”，更強調系統級替代。也就是說(shuō)，不但硬件“封裝一致、電壓一致、上電順序一致、功耗相近、即換即用”，軟件層面也做到了無(wú)縫切換，用戶(hù)可以在沒(méi)有任何感知的情況下完成芯片替換，并確保功能性能全面兼容。

圖3展示了PRB0400與國外某品牌產(chǎn)品在X86、飛騰、龍芯三大平臺上消息引擎吞吐量的比較?？梢钥闯?，PRB0400不但全面勝出，而且，得益于支持不常用的常量地址和地址/長(cháng)度任意對齊模式，PRB0400還可實(shí)現全場(chǎng)景功能替代。

圖3：消息引擎吞吐量比較

而“好用”則突出更好用的功能、更好用的軟件和更寬工作溫度。以可支持的業(yè)務(wù)類(lèi)型為例，PRB0400不僅實(shí)現了對標國際產(chǎn)品所支持的全部業(yè)務(wù)類(lèi)型，還擴展增加了NWRITE以及NWRITE+NWRITE_R業(yè)務(wù)，這對于使用FPGA做自研端點(diǎn)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)非常有利，他們可以有更多的選擇，自研端點(diǎn)僅需支持最少的業(yè)務(wù)類(lèi)型，簡(jiǎn)化設計，提升兼容性。

“好用”還體現在更豐富的定位手段上——既包括硬件層面的計數統計、狀態(tài)獲取、異常記錄、錯誤原因記錄等，還包括軟件層面上的診斷API、一鍵式定位信息導出。這一做法帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，首先它可以方便新方案的開(kāi)局調試，其次對于工作過(guò)程中遇到的異常分析和定位也能起到極大的便利輔助作用。

在此基礎上，設計人員對PRB0400的魯棒性(異常報文過(guò)濾、錯誤描述符識別、異?；謴土鞒?和兼容性(高適應性SerDes、速率調節與調度、優(yōu)先級靈活設置)進(jìn)行了強化，對驅動(dòng)功能進(jìn)行了重新優(yōu)化、支持和適配，“映射引擎支持NWRITE數據類(lèi)型業(yè)務(wù)”、“BDMA引擎支持NWRITE/NWRITE+Last NWRITE_R業(yè)務(wù)”、“支持端口收發(fā)統計、引擎各節點(diǎn)統計、異常統計等可維可測信息”、“支持一鍵式導出”等功能都成為了新的亮點(diǎn)。

但有了好的產(chǎn)品，如果得不到生態(tài)系統支持，也無(wú)異于“水中花、鏡中月”。因此，如何讓客戶(hù)“愿用”，同樣是不小的挑戰。為此，井芯微提出了廣泛的兼容生態(tài)、一站式本地支持和用戶(hù)試用好口碑的政策，與國產(chǎn)操作系統、國產(chǎn)CPU、自有SRIO芯片、國產(chǎn)DSP/FPGA廠(chǎng)商一道，構建起了廣泛的國內自主兼容生態(tài)，加之涵蓋從方案設計、器件選型支持，到硬件設計評審、驅動(dòng)適配服務(wù)，再到開(kāi)局調試支持、問(wèn)題定位協(xié)助的全流程本地化支持，共同實(shí)現“開(kāi)放利他，客戶(hù)愿用”的目標。截至目前，已累計發(fā)放200+樣片，擁有85家試用單位和99個(gè)應用項目。

根據規劃，在深度布局SDI技術(shù)的基礎上，井芯微未來(lái)中遠期將探索以“SDI逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)智能”的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之路，通過(guò)SDI“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )”集成CPU、GPU、IPU、NPU、TPU、DSP等各種類(lèi)型“神經(jīng)元”，攜手共建連接綠色安全的智能世界。