過去的5~10年里，本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(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)字芯片等方面均實現(xiàn)了大范圍的國產(chǎn)替代。時至今日，進口替代已進入深水區(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能性、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開始進入量產(chǎn)應(yīng)用階段。

圖1：井芯微電子PRB0400型PCIe轉(zhuǎn)SRIO橋接芯片正式落地應(yīng)用

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。該芯片可以輕松實現(xiàn)RapidIO系統(tǒng)與PCIe系統(tǒng)的無縫連接，實現(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擴展總線標(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RapidIO Gen3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?！蓖跖伪硎尽?/p>

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(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的剛性體系結(jié)構(gòu)，實現(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現(xiàn)大量數(shù)據(jù)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接口實現(xiàn)與PCIe相關(guān)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層協(xié)議功能，SRIO接口則實現(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)需要進行分割和重組。BDMA引擎支持8個獨立的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，為了更好的幫助用戶實現(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對點互連，或者處理器之間RapidIO數(shù)據(jù)交互等功能實現(xiàn)的場景，在****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)，并通過消息引擎進行點對點的數(shù)據(jù)通信。

在無線****應(yīng)用場景中，為了保證實時性，通信****一般都會采用高速實時傳輸總線RapidIO協(xié)議和PCIe協(xié)議，在RapidIO網(wǎng)絡(luò)的維護管理系統(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對點互連以及RapidIO數(shù)據(jù)交互等功能實現(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)的運算效能。

在高性能處理應(yīng)用中，井芯PRB0400實現(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處理器的高性能運算能力，以及RapidIO架構(gòu)突出的點對點網(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，實現(xiàn)了對國際廠商的相關(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。

所謂“易用”，更強調(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/長度任意對齊模式，PRB0400還可實現(xiàn)全場景功能替代。

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)類型為例，PRB0400不僅實現(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做自研端點的用戶來說非常有利，他們可以有更多的選擇，自研端點僅需支持最少的業(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)進行了強化，對驅(qū)動功能進行了重新優(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。

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。