Achronix Speedster7t FPGA如何運(yùn)用GDDR6滿足網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的高帶寬需求

簡(jiǎn)介：隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心帶寬需求的日益提升，針對(duì)高性能內(nèi)存解決方案的需求也是水漲船高。對(duì)于超過(guò) 400 Gbps 的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存方案的性能和效率已經(jīng)成為項(xiàng)目中的重要挑戰(zhàn)之一。

1. 概述

隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心帶寬需求的日益提升，針對(duì)高性能內(nèi)存解決方案的需求也是水漲船高。對(duì)于超過(guò) 400 Gbps 的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存方案的性能和效率已經(jīng)成為項(xiàng)目中的重要挑戰(zhàn)之一。

圖形雙數(shù)據(jù)速率 （GDDR） 內(nèi)存最初是為了滿足游戲機(jī)和PC的高性能圖形計(jì)算需求而開(kāi)發(fā)的，自2008年面市至今歷經(jīng)十余載，已經(jīng)在市場(chǎng)中久經(jīng)考驗(yàn)，如今也正被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域等其他領(lǐng)域，為產(chǎn)品提供低風(fēng)險(xiǎn)、靈活而又經(jīng)濟(jì)高效內(nèi)存解決方案。

在接下來(lái)的章節(jié)中，本文將首先分享推動(dòng)這些高帶寬和高性能需求的網(wǎng)絡(luò)行業(yè)宏觀趨勢(shì)，然后討論GDDR6如何以比當(dāng)今任何其他高帶寬內(nèi)存解決方案更好地滿足這些需求，最后介紹Achronix Speedster7t FPGA產(chǎn)品中的GDDR6控制器。

我們將會(huì)陸續(xù)推出關(guān)于GDDR6其他有用知識(shí)的系列文章，比如GDDR6構(gòu)架和基本使用方法，存取帶寬與延遲的性能測(cè)評(píng)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用參考設(shè)計(jì)，以及如何應(yīng)對(duì)GDDR6系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)，敬請(qǐng)關(guān)注。

2. 網(wǎng)絡(luò)行業(yè)趨勢(shì)

思科在2019年發(fā)布的可視化網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（Visual Networking Index）報(bào)告［1］稱，2017 年全球互聯(lián)網(wǎng)IP流量月均為 122 EB （1018 Bytes），預(yù)計(jì) 到2022 年將增加到 396 EB，復(fù)合年增長(zhǎng)率 （CAGR） 為 26%，這一趨勢(shì)大部分與大數(shù)據(jù)的興起和不斷增長(zhǎng)的視頻流量有關(guān)。

圖 1：全球互聯(lián)網(wǎng)IP流量預(yù)測(cè)（Cisco VNI 2017-2022）［1］

同一研究［1］預(yù)測(cè)，智能手機(jī)和平板電腦等接入設(shè)備的數(shù)量將從 2017 年的 180 億臺(tái)增長(zhǎng)到 2022 年的 285 多億臺(tái)設(shè)備（圖 2），屆時(shí)人均所擁有的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備數(shù)量將達(dá)到 3.6臺(tái)。得益于5G以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，2022年總連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量中M2M設(shè)備的數(shù)量將超過(guò)50%。

圖 2：需要連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（Cisco VNI 2017-2022）［1］

3. 是什么在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求？

幾個(gè)重要領(lǐng)域的增長(zhǎng)正在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)中這些前所未有的需求：

? 移動(dòng)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)視頻：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)按需訪問(wèn)數(shù)據(jù)和高清視頻的需求不斷增加。（此處不包含非按需的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，比如占據(jù)全網(wǎng)流量25%以上的DDoS攻擊）

? 物聯(lián)網(wǎng) （IoT）： 物聯(lián)網(wǎng)正在增加必須訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量，如可穿戴設(shè)備、智能家電和汽車(chē)。

? 云服務(wù)：無(wú)數(shù)企業(yè)正在將其服務(wù)遷移到云中，云端的創(chuàng)新業(yè)務(wù)也在不斷的增加。

? 大數(shù)據(jù)分析：要使復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的所有部分都高效運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中的邊緣設(shè)備必須通過(guò)智能的數(shù)據(jù)分析，來(lái)更好、更快地了解其攜帶的數(shù)據(jù)。

總之，更多的用戶、更多的設(shè)備、更大的屏幕，以及更多樣的云端服務(wù)正在推動(dòng) IP 流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在增長(zhǎng)沒(méi)有放緩跡象的情況下，我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)產(chǎn)品以滿足這些要求？

4. 為什么使用GDDR6？

原因1：極佳的性能

如今，GDDR6的密度已經(jīng)做到16Gbits，與最高容量的 DDR4 內(nèi)存芯片一致。GDDR6 器件的帶寬高達(dá)512Gb/s，是DDR4 的 10 倍。在未來(lái)，GDDR6將按照標(biāo)準(zhǔn)向更高容量更快速度演進(jìn)。GDDR6的這些優(yōu)勢(shì)，使其成為滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)需求的理想選擇。

圖3： DDR vs. GDDR 容量比較 ［2］

圖4： DDR vs. GDDR 帶寬比較 ［2］

原因2：降低總擁有成本

在考慮總擁有成本 （TCO） 時(shí)，請(qǐng)務(wù)必考慮設(shè)計(jì)的所有方面。圖 5 比較了三種不同的方法，以滿足 1Tb 交換應(yīng)用程序的需求。如圖所示，相對(duì)于DDR4，采用GDDR6 不僅可以將設(shè)計(jì)復(fù)雜性降低80%，還可以減少 82% 的PCB面積占用，并將能效提高 44%。

圖5： 各種主流內(nèi)存方案的總擁有成本（TCO）比較 ［2］

原因3：輕松設(shè)計(jì)

如果您已經(jīng)熟悉傳統(tǒng)的DDR 設(shè)計(jì)，則使用 GDDR 內(nèi)存進(jìn)行設(shè)計(jì)將是一種熟悉的低風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)。對(duì)邏輯工程師和軟件工程師來(lái)說(shuō)，GDDR6 與傳統(tǒng)DDR技術(shù)使用的方法類似，Speedster7t FPGA 所內(nèi)建的GDDR6控制器進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。對(duì)于硬件工程師來(lái)說(shuō)，GDDR6 的高速單端SerDes信號(hào)管腳與DDR的低速信號(hào)管腳的設(shè)計(jì)規(guī)則區(qū)別較大，Achronix將提供高速信號(hào)設(shè)計(jì)手冊(cè)以及參考設(shè)計(jì)，幫助客戶低風(fēng)險(xiǎn)地從DDR遷移到GDDR6。

如果您已經(jīng)熟悉GDDR5設(shè)計(jì)，那么過(guò)渡至GDDR6將是非常順滑的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。GDDR6 和 GDDR5 之間的主要區(qū)別與封裝和引腳相關(guān)，遵循相同的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

5. Achronix Speedster7t FPGA產(chǎn)品中的GDDR6控制器

Achronix 半導(dǎo)體的 Speedster7t FPGA 系列針對(duì)高帶寬工作負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化，消除了與傳統(tǒng) FPGA 相關(guān)的性能瓶頸。Speedster7t FPGA 基于臺(tái)積電的 7nm FinFET 工藝技術(shù)，采用革命性的新型 2D 片上網(wǎng)絡(luò) （NoC）和獨(dú)創(chuàng)的機(jī)器學(xué)習(xí)處理器 （MLP）矩陣，并利用高帶寬 GDDR6 接口、400G 以太網(wǎng)和 PCI Express Gen5 端口等IP，可提供 ASIC 級(jí)性能，同時(shí)保留完整的編程性能。

圖6： Achronix Speedster7t1500 高性能FPGA 構(gòu)架 ［3］

Speedster7t FPGA 設(shè)計(jì)具有多達(dá)8個(gè) GDDR6 控制器，以較低的成本提供最快的訪問(wèn)速度，同時(shí)保證相當(dāng)于LPDDR5水平的低功耗。每個(gè) GDDR6控制器支持多達(dá) 32 位數(shù)據(jù)，總共支持4Tbps的內(nèi)存帶寬。 GDDR6 控制器和 PHY 是硬 IP，無(wú)需消耗FPGA中的可編程邏輯資源，也無(wú)需面對(duì)布局布線所帶來(lái)的時(shí)序收斂挑戰(zhàn)。這些特征共同使GDDR6 SDRAM 接口成為下一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕佳選擇。