加速國產替代，井芯微自研PCIe-SRIO橋接芯片量產

過去的5~10年里，本土半導體產業(yè)實現(xiàn)了飛速增長，其中尤以芯片設計產業(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)，互連技術便是其中需要攻克的難題之一，而傳統(tǒng)互連芯片技術目前仍被國外巨頭所壟斷。

2022年10月，在經過一年半的攻堅克難之后，井芯微電子技術(天津)有限公司繼發(fā)布240G網絡DPU芯片SDI2820后，再度向市場推出國產替代新產品——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”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)定性在內的多批次、多類型測試之后，PRB0400開始進入量產應用階段。

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(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)內部各組件之間的互連需求，實現(xiàn)PCIe協(xié)議網絡和RapidIO協(xié)議網絡之間數(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)互連國際標準(ISO/IEC18372)，PCIe則是一種高速串行計算機擴展總線標準。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(tǒng)級的設備中大規(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、高靈活特性拓展到其他協(xié)議領域，

“與競品相比，我們之所以能在如此短的時間內實現(xiàn)產品的落地量產，主要得益于公司在軟件定義互連(Software Defined Interconnection，SDI)技術上的深厚積累和豐富的芯片開發(fā)經驗，能夠將許多復雜問題簡單化，從而加速了上市時間?！蓖跖伪硎?。

作為互連技術的新方向，SDI技術在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)有網絡的剛性體系結構，實現(xiàn)從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層到業(yè)務層全維軟件定義的網絡體系，從而將剛性網絡變?yōu)槿嵝跃W絡，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(shù)據(jù)通信，可用于連接CPU、DSP、FPGA等構成的密集型電子系統(tǒng)，用于解決PCIe網絡與RapidIO網絡的連接問題，同時內嵌消息引擎和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)行讀或寫操作。

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)、豐富的產品開發(fā)板卡(功能評估子卡、OPT功能評估板)、廣泛應用場景的參考設計(開發(fā)應用手冊、設計兼容性手冊、原理圖設計手冊、用戶使用手冊)和豐富的軟件工具(RapidIO快速配置軟件、SerDes調節(jié)工具、芯片驅動軟件)，其中驅動軟件支持麒麟、天脈3、統(tǒng)信、FPGA嵌入式等國內主流操作系統(tǒng)。

加速中國新基建市場建設

國內新基建產業(yè)的浪潮、東數(shù)西算工程建設以及本土服務器芯片廠商的崛起，使得市場對國產橋接芯片的需求非常強烈。市場調研數(shù)據(jù)顯示，國內市場對PCIe轉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RapidIO橋接芯片，井芯PRB0400廣泛應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、圖像處理等應用領域都有著巨大的市場空間。

在視頻和圖像應用場景中，系統(tǒng)設計人員需要將大量的DSP或者FPGA用于執(zhí)行編碼/解碼/轉碼，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可以幫助設計人員在PCIe網絡和RapidIO DSP/FPGA集群之間搭建橋梁——CPU/GPU等處理單元通過PRB0400接入RapidIO網絡，并通過消息引擎進行點對點的數(shù)據(jù)通信。

在無線****應用場景中，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網絡的維護管理系統(tǒng)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網絡連接系統(tǒng)，PCIe轉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架構突出的點對點網絡傳輸性能。

打造自主“易用好用愿用”生態(tài)

在系統(tǒng)設計上，井芯PRB0400可原位替代對標國際產品，并兼容其官方驅動。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，實現(xiàn)了對國際廠商的相關產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與國外某品牌產品在X86、飛騰、龍芯三大平臺上消息引擎吞吐量的比較。可以看出，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)務類型為例，PRB0400不僅實現(xiàn)了對標國際產品所支持的全部業(yè)務類型，還擴展增加了NWRITE以及NWRITE+NWRITE_R業(yè)務，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)務類型，簡化設計，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。

在此基礎上，設計人員對PRB0400的魯棒性(異常報文過濾、錯誤描述符識別、異?；謴土鞒?和兼容性(高適應性SerDes、速率調節(jié)與調度、優(yōu)先級靈活設置)進行了強化，對驅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”、“BDMA引擎支持NWRITE/NWRITE+Last NWRITE_R業(yè)務”、“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”、“支持一鍵式導出”等功能都成為了新的亮點。

但有了好的產品，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，與國產操作系統(tǒng)、國產CPU、自有SRIO芯片、國產DSP/FPGA廠商一道，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、驅動適配服務，再到開局調試支持、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。截至目前，已累計發(fā)放200+樣片，擁有85家試用單位和99個應用項目。

根據(jù)規(guī)劃，在深度布局SDI技術的基礎上，井芯微未來中遠期將探索以“SDI逼近神經網絡、神經網絡驅動智能”的技術與產業(yè)之路，通過SDI“神經網絡”集成CPU、GPU、IPU、NPU、TPU、DSP等各種類型“神經元”，攜手共建連接綠色安全的智能世界。