加速国产替代，井芯微自研PCIe-SRIO桥接芯片量产

来源:芯智讯发布时间:2023-05-231105浏览

过去的5~10年里，本土半导体产业实现了飞速增长，其中尤以芯片设计产业发展最为快速，在模拟芯片和数字芯片等方面均实现了大范围的国产替代。时至今日，进口替代已进入深水区，尤其是高端芯片的深度替代需要有企业担起啃“硬骨头”的重任，向“深水区”甚至“无人区”发起挑战，互连技术便是其中需要攻克的难题之一，而传统互连芯片技术目前仍被国外巨头所垄断。

2022年10月，在经过一年半的攻坚克难之后，井芯微电子技术(天津)有限公司继发布240G网络DPU芯片SDI2820后，再度向市场推出国产替代新产品——PRB0400型PCIe转SRIO(Serial RapidIO)桥接芯片。今年5月，在“晶上联盟SDI论坛——RapidIO自主生态与SDI应用创新大会”上，井芯微电子芯片研发部门王盼部长代表公司正式宣布，在完成了包括芯片功能性、系统兼容性、老化稳定性在内的多批次、多类型测试之后，PRB0400开始进入量产应用阶段。

图1：井芯微电子PRB0400型PCIe转SRIO桥接芯片正式落地应用

全正向自主设计

PRB0400芯片自主立项于2021年3月，并于2022年9月完成流片，是一款兼容PCIe Gen2和RapidIO Gen2协议的高性能数据传输桥接芯片，主要用于满足高可靠低延时计算处理系统内部各组件之间的互连需求，实现PCIe协议网络和RapidIO协议网络之间数据互连互通。该芯片可以轻松实现RapidIO系统与PCIe系统的无缝连接，实现两个生态系统的融合。

众所周知，RapidIO协议是全球主流的嵌入式系统互连国际标准(ISO/IEC18372)，PCIe则是一种高速串行计算机扩展总线标准。两种协议在信息基础设施中均有较为广泛的应用以及互连需求，在器件级、板卡级和系统级的设备中大规模地采用了PCIe协议和RapidIO协议。

作为成功研制出国内首款RapidIO Gen2交换芯片、首款RapidIO Gen3交换芯片，并提供自主开发配置管理工具的RapidIO自主生态构建者，井芯微电子始终以更高的代际、更高的性能和更强的互连作为自身发展目标，努力将SRIO协议所支持的高可靠、低延时、高灵活特性拓展到其他协议领域，

“与竞品相比，我们之所以能在如此短的时间内实现产品的落地量产，主要得益于公司在软件定义互连(Software Defined Interconnection，SDI)技术上的深厚积累和丰富的芯片开发经验，能够将许多复杂问题简单化，从而加速了上市时间。”王盼表示。

作为互连技术的新方向，SDI技术在2009年由中国工程院邬江兴院士团队所提出，其核心是打破现有网络的刚性体系结构，实现从物理层、数据链路层、网络层到业务层全维软件定义的网络体系，从而将刚性网络变为柔性网络，构建可定义、可重组、可重构、可重建的新一代软件定义体系架构。

井芯PRB0400支持芯片到芯片、板到板间的高效能数据通信，可用于连接CPU、DSP、FPGA等构成的密集型电子系统，用于解决PCIe网络与RapidIO网络的连接问题，同时内嵌消息引擎和BDMA引擎，可以在无需主控处理器过多参与的情况下实现大量数据的高效传输。

图2：井芯PRB0400拥有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接口实现与PCIe相关的物理层、数据链路层和传输层协议功能，SRIO接口则实现与SRIO相关的物理层和传输层协议功能。消息引擎用作RapidIO逻辑层消息传递，接收和发送通道均支持8个独立的处理引擎。映射引擎则是用于PCIe和RapidIO之间的地址映射和转换，可根据需要进行分割和重组。BDMA引擎支持8个独立的DMA通道，其中的每个DMA通道都可以根据描述符执行读或写操作。

除此之外，为了更好的帮助用户实现快速开发，井芯微还提供完善的产品用户资料(数据手册、用户手册、软件使用说明)、丰富的产品开发板卡(功能评估子卡、OPT功能评估板)、广泛应用场景的参考设计(开发应用手册、设计兼容性手册、原理图设计手册、用户使用手册)和丰富的软件工具(RapidIO快速配置软件、SerDes调节工具、芯片驱动软件)，其中驱动软件支持麒麟、天脉3、统信、FPGA嵌入式等国内主流操作系统。

加速中国新基建市场建设

国内新基建产业的浪潮、东数西算工程建设以及本土服务器芯片厂商的崛起，使得市场对国产桥接芯片的需求非常强烈。市场调研数据显示，国内市场对PCIe转RapidIO协议芯片需求迫切，未来整体市场容量有望超过40亿元。

作为一款PCIe转RapidIO桥接芯片，井芯PRB0400广泛应用于各种处理器之间的点对点互连，或者处理器之间RapidIO数据交互等功能实现的场景，在基站传输、分布式计算、图像处理等应用领域都有着巨大的市场空间。

在视频和图像应用场景中，系统设计人员需要将大量的DSP或者FPGA用于执行编码/解码/转码，或者对大型数据阵列进行快速傅里叶变换，RapidIO协议最适合这种DSP/FPGA集群要求。在这些应用中，系统的模拟前端通常是一个传感器，并端接在FPGA中(例如摄像头子系统)，井芯PRB0400可以帮助设计人员在PCIe网络和RapidIO DSP/FPGA集群之间搭建桥梁——CPU/GPU等处理单元通过PRB0400接入RapidIO网络，并通过消息引擎进行点对点的数据通信。

在无线基站应用场景中，为了保证实时性，通信基站一般都会采用高速实时传输总线RapidIO协议和PCIe协议，在RapidIO网络的维护管理系统中，RapidIO交换芯片和PCIe转SRIO桥接芯片用于各种处理器之间的点对点互连以及RapidIO数据交互等功能实现。对于处理器与RapidIO网络连接系统，PCIe转RapidIO桥接芯片则用于解决系统连接的难题，并提升系统的运算效能。

在高性能处理应用中，井芯PRB0400实现将CPU处理器的PCIe总线连接到RapidIO背板总线，可为系统提供CPU处理器的高性能运算能力，以及RapidIO架构突出的点对点网络传输性能。

打造自主“易用好用愿用”生态

在系统设计上，井芯PRB0400可原位替代对标国际产品，并兼容其官方驱动。此外，井芯PRB0400兼容国内主流CPU和 DSP，并完成了对应的生态测试。目前已完成与飞腾、龙芯、x86、Zynq等PCIe RC设备对应的生态测试，实现了对国际厂商的相关产品在硬件和软件两个层面的原位替代。

易用、好用、愿用，是井芯微在兼容替代战略方面提出的三大愿景。

所谓“易用”，更强调系统级替代。也就是说，不但硬件“封装一致、电压一致、上电顺序一致、功耗相近、即换即用”，软件层面也做到了无缝切换，用户可以在没有任何感知的情况下完成芯片替换，并确保功能性能全面兼容。

图3展示了PRB0400与国外某品牌产品在X86、飞腾、龙芯三大平台上消息引擎吞吐量的比较。可以看出，PRB0400不但全面胜出，而且，得益于支持不常用的常量地址和地址/长度任意对齐模式，PRB0400还可实现全场景功能替代。

图3：消息引擎吞吐量比较

而“好用”则突出更好用的功能、更好用的软件和更宽工作温度。以可支持的业务类型为例，PRB0400不仅实现了对标国际产品所支持的全部业务类型，还扩展增加了NWRITE以及NWRITE+NWRITE_R业务，这对于使用FPGA做自研端点的用户来说非常有利，他们可以有更多的选择，自研端点仅需支持最少的业务类型，简化设计，提升兼容性。

“好用”还体现在更丰富的定位手段上——既包括硬件层面的计数统计、状态获取、异常记录、错误原因记录等，还包括软件层面上的诊断API、一键式定位信息导出。这一做法带来的好处是显而易见的，首先它可以方便新方案的开局调试，其次对于工作过程中遇到的异常分析和定位也能起到极大的便利辅助作用。

在此基础上，设计人员对PRB0400的鲁棒性(异常报文过滤、错误描述符识别、异常恢复流程)和兼容性(高适应性SerDes、速率调节与调度、优先级灵活设置)进行了强化，对驱动功能进行了重新优化、支持和适配，“映射引擎支持NWRITE数据类型业务”、“BDMA引擎支持NWRITE/NWRITE+Last NWRITE_R业务”、“支持端口收发统计、引擎各节点统计、异常统计等可维可测信息”、“支持一键式导出”等功能都成为了新的亮点。

但有了好的产品，如果得不到生态系统支持，也无异于“水中花、镜中月”。因此，如何让客户“愿用”，同样是不小的挑战。为此，井芯微提出了广泛的兼容生态、一站式本地支持和用户试用好口碑的政策，与国产操作系统、国产CPU、自有SRIO芯片、国产DSP/FPGA厂商一道，构建起了广泛的国内自主兼容生态，加之涵盖从方案设计、器件选型支持，到硬件设计评审、驱动适配服务，再到开局调试支持、问题定位协助的全流程本地化支持，共同实现“开放利他，客户愿用”的目标。截至目前，已累计发放200+样片，拥有85家试用单位和99个应用项目。

根据规划，在深度布局SDI技术的基础上，井芯微未来中远期将探索以“SDI逼近神经网络、神经网络驱动智能”的技术与产业之路，通过SDI“神经网络”集成CPU、GPU、IPU、NPU、TPU、DSP等各种类型“神经元”，携手共建连接绿色安全的智能世界。

来源：井芯微电子

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