使用帶有片上高速網(wǎng)絡(luò)的FPGA的八大好處

輕松支持硬件虛擬化

Speedster7t NoC通過利用NAP及其AXI接口，為設(shè)計人員提供了在單個FPGA中創(chuàng)建虛擬化安全硬件的獨特能力。將可編程邏輯設(shè)計直接連接到NoC只需要在邏輯設(shè)計中實例化一個NAP及其AXI4接口即可。每個NAP還具有一個相關(guān)的地址轉(zhuǎn)換表（ATT），該表將NAP上的邏輯地址轉(zhuǎn)換為NoC上的物理地址。NAP的ATT允許可編程邏輯模塊使用本地地址，同時將NoC定向事務映射到NoC全局存儲映射所分配的地址。此項重新映射功能可以以多種方式使用。例如，它可以用于允許加速引擎的所有相同副本使用基于零的虛擬尋址，同時將數(shù)據(jù)流量從每個加速引擎發(fā)送到不同的物理存儲位置。

每個ATT條目還包含一個訪問保護位，以防止該節(jié)點訪問被禁止的地址范圍。該功能提供了一種重要的進程間安全機制，可防止同時在一個Speedster7t FPGA上運行的多個應用或多個任務干擾分配給其他應用或任務的存儲模塊。這種安全機制還有助于防止由于意外、偶然甚至是故意的存儲地址沖突而導致系統(tǒng)崩潰。此外，設(shè)計人員可以使用此方案阻止邏輯功能訪問整個存儲設(shè)備。

Memory Space：存儲空間

圖5：致力于開發(fā)同一個FPGA的多個設(shè)計團隊

簡化團隊協(xié)同設(shè)計

基于團隊的協(xié)同化FPGA設(shè)計并不是一個新的概念，但是底層架構(gòu)和布線依賴于FPGA的其他部分，從而使得實現(xiàn)這個簡單概念非常具有挑戰(zhàn)性。一旦一個團隊完成了設(shè)計的一部分，另一個設(shè)計其他部分的團隊在嘗試訪問設(shè)備另一端的資源時，通常會遇到挑戰(zhàn)，因為需要在已經(jīng)完成的設(shè)計部分進行布線。同樣，對一部分已進行設(shè)計布線的FPGA的區(qū)域或大小進行更改，可能會對所有其他FPGA設(shè)計模塊產(chǎn)生連鎖影響。

使用Speedster7t NoC，可以將設(shè)計模塊映射到FPGA的任何部分，并且可以對資源分配進行更改，而不會影響其他FPGA模塊的時序、布局或布線。由于器件中所有的NAP都支持每個設(shè)計模塊無限制地訪問NoC進行通信，因此使得基于團隊的設(shè)計成為可能。因此，如果一個設(shè)計的某個部分在規(guī)模上有所增大，只要有足夠的FPGA資源可用，數(shù)據(jù)流就會由NoC自動管理，從而使設(shè)計人員不必擔心是否滿足時序，以及對其他團隊成員正在進行的設(shè)計的其他部分可能帶來的后續(xù)影響。

Design Team：設(shè)計團隊

圖6：獨立的I/O和邏輯驗證

通過獨立的接口和邏輯驗證加快設(shè)計速度

Speedster7t NoC的另一個獨特功能是支持設(shè)計人員獨立于用戶邏輯去配置和驗證I/O連接。例如，一個設(shè)計團隊可以驗證PCIe至GDDR6的接口，而另一個設(shè)計團隊可以獨立地驗證內(nèi)部邏輯功能。這種獨立操作之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是因為NoC的外圍部分連接了PCIe、GDDR6、DDR4和FCU，而不會消耗任何FPGA資源。這些連接可以在不使用任何HDL代碼的情況下進行測試，從而可以同時獨立地驗證接口和邏輯。該功能消除了驗證步驟之間的依賴關(guān)系，并實現(xiàn)了比傳統(tǒng)FPGA架構(gòu)更快的總體驗證速度。

Design Team 1: I/O Verification：設(shè)計團隊1：I/O驗證

Design Team 2: Logic Verification：設(shè)計團隊2：邏輯驗證

圖7：分組模式下的數(shù)據(jù)總線重排

采用分組模式（Packet Mode）簡化400 Gbps以太網(wǎng)應用

在FPGA中實現(xiàn)高速400 Gbps以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通路所面臨的挑戰(zhàn)是找到一種能夠滿足FPGA性能要求的總線位寬。對于400G以太網(wǎng)，全帶寬運行的唯一可行選擇是運行在724 MHz的1,024位總線，或運行在642 MHz的2,048位總線。如此寬的總線難以布線，因為它們在FPGA架構(gòu)內(nèi)消耗了大量的邏輯資源，即使在最先進的FPGA中也會在這樣的速率要求下產(chǎn)生時序收斂挑戰(zhàn)。

但是，在Speedster7t架構(gòu)中，設(shè)計人員可以使用一種稱為分組模式（packet mode）的新型處理模式，其中傳入的以太網(wǎng)流被重新排列為四個較窄的32字節(jié)數(shù)據(jù)包，或者四條獨立的以506 MHz頻率運行的256位總線。這種模式的優(yōu)點包括：當數(shù)據(jù)包結(jié)束時減少了字節(jié)的浪費，并且可以并行傳輸數(shù)據(jù)，而不必等到第一個數(shù)據(jù)包完成后才開始第二個數(shù)據(jù)包的傳輸。Speedster7t FPGA架構(gòu)的設(shè)計旨在通過將以太網(wǎng)MAC直接連接到特定的NoC列，然后使用用戶實例化的NAP從NoC列連接到邏輯陣列中，從而啟用分組模式。使用NoC列，數(shù)據(jù)可以沿著該列被發(fā)送到FPGA架構(gòu)中的任何位置，以便進一步處理。使用ACE設(shè)計工具配置分組模式，可大大簡化用戶設(shè)計，并在處理400 Gbps以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流時提高了效率。

Packet：數(shù)據(jù)包

Byte：字節(jié)

圖8：使用分組模式的400 Gbps以太網(wǎng)

降低邏輯占用并提高整體FPGA性能

與以前的傳統(tǒng)FPGA相比，Speedster7t NoC具有更大的靈活性和更簡單的設(shè)計方法。一個潛在的好處是NoC會自動減少給定設(shè)計所需的邏輯量，設(shè)計可以使用NoC代替FPGA邏輯陣列來進行模塊間布線。ACE設(shè)計工具自動管理將設(shè)計單元連接到Speedster7t NoC的復雜性，因此設(shè)計人員無需編寫HDL代碼即可實現(xiàn)生產(chǎn)率。這種方法簡化了實現(xiàn)時序收斂的耗時挑戰(zhàn)，同時又不會由于FPGA邏輯陣列內(nèi)的布線擁塞而降低整體應用性能。NoC還可以在不犧牲FPGA性能的情況下提高器件利用率，并且可以顯著增加可用于計算的查找表（LUT）數(shù)量。

為了強調(diào)這一優(yōu)勢，我們創(chuàng)建了一個支持二維輸入圖像卷積的示例設(shè)計。每個模塊都使用Speedster7t機器學習處理器（MLP）和BRAM模塊，每個MLP在一個周期內(nèi)執(zhí)行12次int8乘法。將40個二維卷積模塊鏈接在一起，以利用器件中幾乎所有可用的BRAM和MLP資源?？偣灿?0個二維卷積示例設(shè)計實例并行運行，使用了94％的MLP、97％的BRAM、但僅使用了8％的LUT。在總的可用LUT中，其余92％的LUT仍可被用于其他功能。

隨著更多的實例被內(nèi)置于器件中，單個單元模塊的最高頻率（FMAX）不會降低。該設(shè)計能夠保持性能，因為進出每個二維卷積模塊的數(shù)據(jù)可以直接從連接到NoC的NAP訪問GDDR6內(nèi)存，而無需通過FPGA邏輯陣列進行布線。

圖9：一個帶有40個二維卷積模塊實例的Speedster7t器件

結(jié)論

Speedster7t NoC實現(xiàn)了FPGA設(shè)計過程的根本轉(zhuǎn)變。Achronix是第一家實現(xiàn)二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC）的FPGA公司，該2D NoC可以連接所有的系統(tǒng)接口和FPGA邏輯陣列。這種新型架構(gòu)使Achronix公司的FPGA特別適用于高帶寬應用，同時顯著提高了設(shè)計人員的生產(chǎn)率。由于NoC管理了FPGA中設(shè)計的數(shù)據(jù)加速器和高速數(shù)據(jù)接口之間的所有網(wǎng)絡(luò)功能，因此設(shè)計人員只需要設(shè)計其數(shù)據(jù)加速器并將其連接到NAP原語即可。ACE和NoC負責其他所有事務。通過使用NoC，FPGA設(shè)計人員將受益于：

●   在整個FPGA邏輯陣列中簡化高速數(shù)據(jù)分發(fā)

●   自動將PCIe接口連接到存儲器

●   在獨立的FPGA邏輯陣列模塊上實現(xiàn)安全的局部重新配置

●   輕松支持硬件虛擬化

●   簡化團隊化設(shè)計

●   通過獨立的接口和邏輯驗證加快設(shè)計速度

●   采用分組模式簡化400 Gbps以太網(wǎng)應用

●   降低邏輯占用并提高整體FPGA性能

Achronix半導體公司