過去的 5~10 年里，本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了飛速增長，其中尤以芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展最為快速，在模擬芯片和數(shù)字芯片等方面均實(shí)現(xiàn)了大范圍的國產(chǎn)替代。時至今日，進(jìn)口替代已進(jìn)入深水區(qū)，尤其是高端芯片的深度替代需要有企業(yè)擔(dān)起啃“硬骨頭”的重任，向“深水區(qū)”甚至“無人區(qū)”發(fā)起挑戰(zhàn)，互連技術(shù)便是其中需要攻克的難題之一，而傳統(tǒng)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，再度向市場推出國產(chǎn)替代新產(chǎn)品——PRB0400 型 PCIe 轉(zhuǎn) 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(yīng)用創(chuàng)新大會”上，井芯微電子芯片研發(fā)部門王盼部長代表公司正式宣布，在完成了包括芯片功性能、系統(tǒng)兼容性、老化穩(wěn)定性在內(nèi)的多批次、多類型測試之后，PRB0400 開始進(jìn)入量產(chǎn)應(yīng)用階段。

全正向自主設(shè)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(shù)據(jù)傳輸橋接芯片，主要用于滿足高可靠低延時計算處理系統(tǒng)內(nèi)部各組件之間的互連需求，實(shí)現(xiàn) PCIe 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)和 RapidIO 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)互連互通。該芯片可以輕松實(shí)現(xiàn) RapidIO 系統(tǒng)與 PCIe 系統(tǒng)的無縫連接，實(shí)現(xiàn)兩個生態(tài)系統(tǒng)的融合。

眾所周知，RapidIO 協(xié)議是全球主流的嵌入式系統(tǒng)互連國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC18372)，PCIe 則是一種高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)。兩種協(xié)議在信息基礎(chǔ)設(shè)施中均有較為廣泛的應(yīng)用以及互連需求，在器件級、板卡級和系統(tǒng)級的設(shè)備中大規(guī)模地采用了 PCIe 協(xié)議和 RapidIO 協(xié)議。

作為成功研制出國內(nèi)首款RapidIO Gen2 交換芯片、首款 RapidIOGen3 交換芯片，并提供自主開發(fā)配置管理工具的 RapidIO 自主生態(tài)構(gòu)建者，井芯微電子始終以更高的代際、更高的性能和更強(qiáng)的互連作為自身發(fā)展目標(biāo)，努力將 SRIO 協(xié)議所支持的高可靠、低延時、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間內(nèi)實(shí)現(xiàn)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發(fā)經(jīng)驗，能夠?qū)⒃S多復(fù)雜問題簡單化，從而加速了上市時間?！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(tuán)隊所提出，其核心是打破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的剛性體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從物理層、數(shù)據(jù)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(gòu)建可定義、可重組、可重構(gòu)、可重建的新一代軟件定義體系架構(gòu)。

井芯 PRB0400 支持芯片到芯片、板到板間的高效能數(shù)據(jù)通信，可用于連接 CPU、DSP、FPGA 等構(gòu)成的密集型電子系統(tǒng)，用于解決 PCIe 網(wǎng)絡(luò)與 RapidIO 網(wǎng)絡(luò)的連接問題，同時內(nèi)嵌消息引擎和 BDMA 引擎，可以在無需主控處理器過多參與的情況下實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高效傳輸。

圖2：井芯微 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(xiàn)與 PCIe 相關(guān)的所有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層協(xié)議功能，SRIO 接口則實(shí)現(xiàn)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 個獨(dú)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(zhuǎn)換，可根據(jù)需要進(jìn)行分割和重組。BDMA 引擎支持 8 個獨(dú)立的 DMA 通道，其中的每個 DMA 通道都可以根據(jù)描述符執(zhí)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

除此之外，為了更好地幫助用戶實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，井芯微還提供完善的產(chǎn)品用戶資料(數(shù)據(jù)手冊、用戶手冊、軟件使用說明)、豐富的產(chǎn)品開發(fā)板卡(功能評估子卡、OPT 功能評估板)、廣泛應(yīng)用場景的參考設(shè)計(開發(fā)應(yīng)用手冊、設(shè)計兼容性手冊、原理圖設(shè)計手冊、用戶使用手冊)和豐富的軟件工具( RapidIO 快速配置軟件、SerDes 調(diào)節(jié)工具、芯片驅(qū)動軟件)，其中驅(qū)動軟件支持麒麟、天脈 3、統(tǒng)信、FPGA 嵌入式等國內(nèi)主流操作系統(tǒng)。

加速中國新基建市場建設(shè)

國內(nèi)新基建產(chǎn)業(yè)的浪潮、東數(shù)西算工程建設(shè)以及本土服務(wù)器芯片廠商的崛起，使得市場對國產(chǎn)橋接芯片的需求非常強(qiáng)烈。市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)市場對 PCIe 轉(zhuǎn) RapidIO 協(xié)議芯片需求迫切，未來整體市場容量有望超過 40 億元。

作為一款 PCIe 轉(zhuǎn) RapidIO 橋接芯片，井芯 PRB0400 廣泛應(yīng)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(shù)據(jù)交互等功能實(shí)現(xiàn)的場景，在基站傳輸、分布式計算、圖像處理等應(yīng)用領(lǐng)域都有著巨大的市場空間。

在視頻和圖像應(yīng)用場景中，系統(tǒng)設(shè)計人員需要將大量的 DSP 或者 FPGA 用于執(zhí)行編碼/解碼/轉(zhuǎn)碼，或者對大型數(shù)據(jù)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(yīng)用中，系統(tǒng)的模擬前端通常是一個傳感器，并端接在 FPGA 中(例如攝像頭子系統(tǒng))，井芯PRB0400 可以幫助設(shè)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 PRB0400 接入 RapidIO 網(wǎng)絡(luò)，并通過消息引擎進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。

在無線基站應(yīng)用場景中，為了保證實(shí)時性，通信基站一般都會采用高速實(shí)時傳輸總線 RapidIO 協(xié)議和 PCIe 協(xié)議，在 RapidIO 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理系統(tǒng)中，RapidIO 交換芯片和 PCIe 轉(zhuǎn) 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(shù)據(jù)交互等功能實(shí)現(xiàn)。對于處理器與 RapidIO 網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)，PCIe 轉(zhuǎn) RapidIO 橋接芯片則用于解決系統(tǒng)連接的難題，并提升系統(tǒng)的運(yùn)算效能。

在高性能處理應(yīng)用中，井芯 PRB0400 實(shí)現(xiàn)將 CPU 處理器的 PCIe 總線連接到 RapidIO 背板總線，可為系統(tǒng)提供 CPU 處理器的高性能運(yùn)算能力，以及 RapidIO 架構(gòu)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(tǒng)設(shè)計上，井芯 PRB0400 可原位替代對標(biāo)國際產(chǎn)品，并兼容其官方驅(qū)動。此外，井芯 PRB0400 兼容國內(nèi)主流 CPU 和 DSP，并完成了對應(yīng)的生態(tài)測試。目前已完成與飛騰、龍芯、x86、Zynq 等 PCIe RC 設(shè)備對應(yīng)的生態(tài)測試，實(shí)現(xiàn)了對在國際廠商的相關(guān)產(chǎn)品在硬件和軟件兩個層面的原位替代。

易用、好用、愿用，是井芯微在兼容替代戰(zhàn)略方面提出的三大愿景。

易用

所謂“易用”，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)級替代。也就是說，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縫切換，用戶可以在沒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?？梢钥闯觯琍RB0400 不但全面勝出，而且，得益于支持不常用的常量地址和地址/長度不對齊模式，PRB0400 還可實(shí)現(xiàn)全場景功能替代。

圖3：消息引擎吞吐量比較

好用

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)類型為例，PRB0400 不僅實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)國際產(chǎn)品所支持的全部業(yè)務(wù)類型，還擴(kuò)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)的用戶來說非常有利，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)類型，簡化設(shè)計，提升兼容性。

“好用”還體現(xiàn)在更豐富的定位手段上——既包括硬件層面的計數(shù)統(tǒng)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(dǎo)出。這一做法帶來的好處是顯而易見的，首先它可以方便新方案的開局調(diào)試，其次對于工作過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(chǔ)上，設(shè)計人員對 PRB0400 的魯棒性(異常報文過濾、錯誤描述符識別、異?；謴?fù)流程)和兼容性(高適應(yīng)性 SerDes、速率調(diào)節(jié)與調(diào)度、優(yōu)先級靈活設(shè)置)進(jìn)行了強(qiáng)化，對驅(qū)動功能進(jìn)行了重新優(yōu)化、支持和適配，“映射引擎支持NWRITE 數(shù)據(jù)類型業(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(tǒng)計、引擎各節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計、異常統(tǒng)計等可維可測信息”、“支持一鍵式導(dǎo)出”等功能都成為了新的亮點(diǎn)。

愿用

但有了好的產(chǎn)品，如果得不到生態(tài)系統(tǒng)支持，也無異于“水中花、鏡中月”。因此，如何讓客戶“愿用”，同樣是不小的挑戰(zhàn)。

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試用好口碑的政策，與國產(chǎn)操作系統(tǒng)、國產(chǎn) CPU、自有 SRIO 芯片、國產(chǎn) DSP/FPGA 廠商一道，構(gòu)建起了廣泛的國內(nèi)自主兼容生態(tài)，加之涵蓋從方案設(shè)計、器件選型支持，到硬件設(shè)計評審、驅(qū)動適配服務(wù)，再到開局調(diào)試支持、問題定位協(xié)助的全流程本地化支持，共同實(shí)現(xiàn)“開放利他，客戶愿用”的目標(biāo)。截至目前，已累計發(fā)放 200+ 樣片，擁有 85 家試用單位和 99 個應(yīng)用項目。

根據(jù)規(guī)劃，在深度布局 SDI 技術(shù)的基礎(chǔ)上，井芯微未來中遠(yuǎn)期將探索以“SDI 逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動智能”的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之路，通過 SDI“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”集成 CPU、GPU、IPU、NPU、TPU、DSP 等各種類型“神經(jīng)元”，攜手共建連接綠色安全的智能世界。

審核編輯 ：李倩