최근 멀티코어 및 칩렛(Chiplet) 구조가 각광받으면서, 내부 컴포넌트 간의 통신 병목을 해결하기 위한 Network-on-Chip (NoC) 설계의 중요성이 더욱 커지고 있다. 주말 동안 전공 서적을 훑어보며 NoC의 핵심 요소인 Routing과 Arbitration에 대해 가볍게 복습한 내용을 남겨둔다.
NoC의 기본 구조
일반적인 NoC는 크게 3가지 요소로 구성된다:
- Network Interface (NI): PE(Processing Element)와 NoC 라우터를 연결해주는 역할을 한다. AXI 같은 표준 프로토콜 패킷을 NoC 내부에서 사용하는 Flit(Flow control unit) 단위로 쪼개거나 묶는 역할을 수행한다.
- Router: 각 노드에 위치하며 들어온 패킷이 목적지로 가기 위해 어떤 포트로 나가야 할지 결정한다.
- Link: 라우터와 라우터를 연결하는 물리적인 와이어 버스.
Routing Algorithm (라우팅 알고리즘)
라우팅은 편지가 목적지로 가기 위한 경로를 찾는 것과 같다. 설계의 복잡도와 데드락(Deadlock) 방지 여부에 따라 여러 가지 방식이 있다.
1. Deterministic Routing (결정적 라우팅)
출발지와 목적지가 같으면 항상 동일한 경로를 탄다.
- XY Routing: 2D Mesh 토폴로지에서 가장 흔하게 쓰이는 방식이다. X축으로 먼저 이동한 뒤, Y축으로 이동한다.
- 장점: 구현이 매우 간단하고(RTL 면적이 작음), Turn 제한 모델에 의해 데드락을 원천적으로 방지할 수 있다.
- 단점: 네트워크의 특정 구간(특히 중앙)에 트래픽이 몰리면 혼잡(Congestion)을 피해갈 방법이 없다.
2. Adaptive Routing (적응형 라우팅)
네트워크의 혼잡도나 링크의 상태에 따라 경로를 동적으로 변경한다.
- 장점: 트래픽 분산을 통해 전체적인 Throughput을 높일 수 있다.
- 단점: 구현이 복잡해지고 파이프라인 스테이지가 길어질 수 있으며, 데드락 회피 알고리즘(Escape VC 등)이 추가로 필요하다.
내 생각: 학부 수준의 RTL 프로젝트에서는 XY Routing으로 시작해서 버그 없는 완벽한 흐름 제어(Flow Control)를 구현하는 것이 먼저다. Adaptive는 그 이후에 고민할 문제.
Arbitration (중재 방식)
동일한 라우터 출력 포트로 여러 입력 패킷이 동시에 나가려고 할 때 누구에게 먼저 길을 내어줄지 결정하는 로직이다.
- Round-Robin (RR): 공평하게 순서를 돌아가며 기회를 준다. 구현이 쉽고 Starvation(기아 상태)을 막을 수 있어 가장 널리 쓰인다.
- Matrix Arbiter: 최근 승리한 요청자를 가장 낮은 우선순위로 보내어 완벽한 LRU(Least Recently Used)를 구현할 수 있는 빠른 하드웨어 구조.
- Priority-based: 특정 트래픽(예: 캐시 일관성 메시지나 인터럽트)에 높은 우선순위를 부여한다.
코드 스니펫 예시 (Round-Robin Arbiter 아이디어)
// 간단한 Round-Robin 포인터 업데이트 로직의 개념적 예시
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
rr_ptr <= 4'b0001; // 초기 포인터
end else if (grant_valid) begin
// 승인된 포트 다음으로 포인터를 이동
rr_ptr <= {grant_vector[2:0], grant_vector[3]};
end
end마무리
다음 스터디에서는 라우터 내부의 버퍼(Virtual Channel)와 Flow Control (Credit-based vs. STOP/GO) 방식에 대해 벤치마크해 볼 계획이다. 실제 SystemVerilog로 모듈을 하나씩 작성해보는 것도 좋겠다.