Definition Was ist ein NoC (Network on a Chip)?

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Ein Network on a Chip ist ein auf einem integrierten Schaltkreis implementiertes Netzwerksubsystem. Es ermöglicht den verschiedenen Funktionsblöcken, Modulen und Komponenten untereinander zu kommunizieren. NoCs können Bussysteme ersetzen und bestehen aus den Grundkomponenten Netzwerkinterface, Router und Link.

Das Kürzel NoC steht für "Network on a Chip" oder "Network on Chip". Bei einem NoC handelt es sich um ein auf einem integrierten Schaltkreis implementiertes Netzwerksubsystem. Typische Einsatzbereiche für eine NoC sind SoCs (Systems on Chips) oder MPSoCs (Multi-Processor Systems on Chips). Auf diesen Chiplösungen ermöglichen die NoCs den verschiedenen Funktionsblöcken, Modulen, Prozessoren oder Komponenten untereinander zu kommunizieren und Daten auszutauschen.

Ein Network on a Chip ist modular aufgebaut und arbeitet als routerbasiertes Paket-Switching-Netzwerk. Es übernimmt bekannte und etablierte Konzepte und Methoden von paketbasiert arbeitenden Computernetzwerken und implementiert sie auf Chipbasis. Erste NoC-Konzepte entstanden schon in den 1990er- und 2000er-Jahren. Mit einem NoC lassen sich gegenüber herkömmlichen Bus- oder Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsarchitekturen zahlreiche Verbesserungen erzielen. Das NoC-Konzept erlaubt es, eine große Zahl an Modulen und Funktionsblöcken auf einem einzigen Chip zu integrieren.

Anforderungen an ein Network on a Chip

Ein Network on a Chip hat mehrere Anforderungen zu erfüllen. Ressourcen auf dem Chip müssen mit beliebigen anderen Ressourcen des Chips kommunizieren können. Dafür benötigen die Ressourcen eindeutige Adressen und das Netzwerk entsprechende Konnektivität. Darüber hinaus sind Anforderungen hinsichtlich der Quality of Service (QoS) zu erfüllen. Es müssen entsprechende Bandbreiten zur Verfügung gestellt, Latenzzeiten eingehalten und Verfügbarkeiten garantiert werden. Das NoC benötigt Fehlerkorrekturverfahren und -protokolle, um auch unter schwierigen Bedingungen, beispielsweise bei Timing- und Datenfehlern, bei schlechter Signalqualität, bei Übersprechen oder bei externen Einflussfaktoren wie elektromagnetischen Störungen eine zuverlässige Kommunikation sicherzustellen. Weitere Anforderungen bestehen hinsichtlich einer energieeffizienten Arbeitsweise und einer geringen Abwärmeproduktion.

Aufbau und prinzipielle Funktionsweise eines NoC

Ein NoC arbeitet auf den ersten drei Schichten des OSI-Referenzmodells. Das sind die Bitübertragungsschicht (Physical Layer), die Sicherungsschicht (Data Link Layer) und die Vermittlungsschicht (Network Layer). Darauf aufsetzende Schichten sind entweder per Software oder per Hardware realisiert und von der eigentlichen NoC-Technologie unabhängig implementiert. Die Kommunikation findet per Routing und Switching statt. Das Routing sorgt für die Findung optimaler Kommunikationswege und das Switching für die Weiterreichung der Pakete.

Die Topologie eines NoC kann unterschiedlich ausfallen. Üblich sind vermaschte Strukturen mit mehreren Verbindungswegen zwischen den einzelnen Funktionsblöcken. Eine Abwandlung der Mesh-Struktur ist die Torus-Struktur, bei der auch die Enden eines Meshs miteinander verbunden sind. Mesh-Strukturen können zwei- oder dreidimensional aufgebaut sein. Andere mögliche Netztopologien eines NoC sind Stern- oder Baumstrukturen und gemischte Strukturen.

Das NoC selbst besteht in der Regel aus drei Grundkomponenten. Diese drei Grundkomponenten sind Netzwerkinterface, Router und Link.

Das Netzwerkinterface stellt die Schnittstelle zwischen dem Kommunikations- und dem Computing-Bereich dar. Die verschiedenen Ressourcen eines SoC sind jeweils über Netzwerkinterfaces an die Router des NoC angebunden. Das Netzwerkinterface verpackt die zu sendenden Informationen und sorgt für die Implementierung der Protokollschichten.

Router setzen die Netzwerkprotokolle um. Sie finden optimale Wege zum jeweiligen Ziel und leiten Datenpakete weiter oder empfangen sie. Weitere Aufgaben der Router sind neben Routing und Switching die Flusskontrolle und das Puffern von Daten. Über In-/Output-Ports sind die Router mit den Links verbunden.

Links stellen die physischen Verbindungen zwischen den Netzwerkknoten (Routern) her. Ein Link ist mit dem Netzwerkkabel eines Computernetzwerks vergleichbar. Über einen Link lassen sich ein oder mehrere physische oder logische Verbindungen herstellen.

Vorteile eines Network on a Chip

Gegenüber herkömmlichen Bus- oder Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsarchitekturen bietet die Implementierung eines Network on a Chip auf einem SoC zahlreiche Vorteile. Zu diesen Vorteilen zählen:

• verbessert die Skalierbarkeit (ermöglicht die Kommunikation einer großen Anzahl an Funktionskomponenten und Modulen)

• ermöglicht die Any-to-Any-Kommunikation

• ermöglicht die Parallelisierung der Kommunikation

• stellt große Bandbreiten mit hohem Durchsatz und entsprechenden Dienstgüten bereit

• verwendet etablierte Netzwerkkonzepte und -methoden

• mit unterschiedlichen Topologien implementierbar

• arbeitet energieeffizient und reduziert die Abwärmeproduktion

• modularisiert das Design und verkürzt Entwicklungszeiten

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