Chipexperten Joachim Strömbergson tittar på erbjudandet från Chalmersavknopparen Infininode, som vill kommersialisera en cacheteknik adopterad av EU:s superdatorprojekt.

Chalmers har en lång tradition av forskning inom datorarkitek­tur och digitala system. Från denna forskning har genom åren flera företag knoppats av. Det senaste företaget är Infininode (InfiniNode) som erbjuder lösningar för effektiv minneshantering och kommunikation mellan hundratals processorkärnor och byggblock på samma chip eller på chiplets.

Bakgrund

Den idag helt dominerande metoden för att låta program som körs på olika processorer att kommunicera och dela data är genom en delad adressrymd. Detta kräver att programmen har samma bild av innehållet i minnet. Processorerna sägs vara minneskoherenta. Allteftersom antalet processorer med tiden ökat, och processorerna fått fler nivåer av cacheminnen, har koherensfunktionen snabbt blivit alltmer komplex. Koherens är ett hinder för att kunna öka antalet processorer. Att bygga koherens­lösningar som är effektiva och skalar bra är vad Infininodes grundare forskat på och nu erbjuder som produkter.

Teknik

Infininode har utvecklat tre produkter som alla levereras som byggblock, IP-kärnor, avsedda att integreras i chip. Styrenheten ­Homenode implementerar det koherensprotokoll som håller reda på vad olika processorer ser och var data finns i minnet. Infininodes andra byggblock implementerar det nätverk på chipet (NoC) som behövs för att koppla samman processorer och andra byggblock med varandra, på samma chip eller olika chiplets. Det sista byggblocket implementerar ett cacheminne avsett att delas av processorkärnor sammankopplade med Infininodes övriga byggblock. Cacheminnet gör det möjligt för processorerna att dela minne med låg fördröjning och hög prestanda.

Konkurrenter, omvärld

Att hantera koherens är inte nytt. 2013 släppte Arm sitt Coherent Hub Interface (CHI). CHI är ett protokoll för kommunikation mellan noder på ett chip. Som namnet antyder är CHI avsett att hantera koherens. CHI är inte beroende av underliggande nätverk, men kopplas ofta samman med Arms AXI-buss. Det finns idag flera implementationer av CHI. Arm själv tillhandahåller byggblock för CHI. Byggblock för CHI finns även i Synopsys Designware-bibliotek. En ­annan leverantör av ­CHI-kompatibla byggblock är ­företaget Arteris.

Arteris är leve­rantör av kommunikations- och nätverkslösningar för system på chip och erbjuder ett antal byggblock liknande vad ­Infininode erbjuder. Byggblocken är kompatibla med CHI och andra befintliga koherensprotokoll. De stödjer även egenskaper som isolering av adressrymden i separata zoner, något som krävs för säkerhetskritiska applikationer som autonoma fordon.

Infininodes lösningar är där­med inte unika på marknaden, men enligt Infininode ger deras byggblock bättre prestanda, är mer energieffektiva och skalar bättre än konkurrenternas, och kan därmed hantera fler processorer.

Status

Infininodes Homenode är kom­pa­tibel med CHI och stödjer kommunikation på samma chip och mellan chiplets. Den är funktionellt verifierad att hantera upp till 128 processorer. Homenode används i EU:s superdatorprocessor Epac 2.0 där den kopplar samman 64 processorer.

Infininodes nätverk på chip-kärna är kompatibel med CHI och AXI. Byggblocket stödjer bland annat isolering och felkorrektion. Infininodes NoC har verifierats på nätliste-nivå samt i FPGA.

Cacheminnet, slutligen, stödjer CHI, access med hög prestanda och många parallella accesser. Minnet skyddar även lagrade data mot bitfel. Cacheminnet har verifierats genom simulering, och i skrivande stund arbetar Infininode med att färdigställa en FPGA-prototyp.

Slutsatser

Utveckling av System på Chip (SoC) handlar idag mycket om att hantera och isolera komp­lexitet. Utvecklingsbudgeten behöver fokuseras på att lösa det applikationsspecifika. Andra funktioner, exempelvis ett ­Ethernetinterface, köps in och integreras. Att bygga ett SoC med många processorer som ska dela adressrymd kräver att koherensproblemet blir löst. Infininode löser därmed ett problem som allt fler brottas med.

Men Infininode är som vi sett inte det enda företag som identifierat detta behov. Det finns etablerade lösningar, standarder och byggblock som erbjuder motsvarande funktion som Infininodes byggblock. Fördelen med det är att marknaden inte är oprövad. Men Infininode måste kunna visa att dess lösning verkligen ger mervärde och skalar bättre. ­Marknadsmässigt siktar Infininode i första hand på system byggda runt RISC-V-processorer. Det är en marknad där Arm inte erbjuder sina IP-kärnor. Det är även en marknad där koherenslösningar sannolikt är mindre mogna, och behovet av verifierade byggblock för koherens är större.

Den stora utmaningen för Infininode är att nå sin marknad. Att bygga stora SoC:er är mycket kostsamt och tar lång tid. Det ställer krav på tillit och långsiktighet hos leverantörer av byggblock. Den verktygsmässiga byggkedjan för system på chip är komplex och kräver att leverantören har ett ekosystem med bland annat modeller för systemering och verifiering, testbänkar och verktyg för enkel integration. Och inte minst att kunna stödja kunderna genom hela integrationsprocessen.

BILD: Stjärnor med kärnor utmanar marknaden för processor-IP: Ahsen Ejaz, Mehrzad Nejat, Bhavishya Goel, Patrik Millsjö, Madhavan Manivannan, Ioannis Sourdis