賽靈思 Versal：單芯片內(nèi)的精準(zhǔn)同步

從金融、電信、工業(yè)、消費(fèi)到航空航天與國防以及汽車，如今，“同步”這個概念，在所有行業(yè)無處不在。

眾多應(yīng)用完全離不開同步；本文將探討其中的部分應(yīng)用并根據(jù)這些示例來分享同步這個概念。

此外，本文的第二部分將研討同步的兩個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：精度與準(zhǔn)確性和集成。 從這兩個指標(biāo)出發(fā)，我將介紹Versal? 系列之所以成為理想同步平臺的特定功能，幫助讀者以全新、獨(dú)到的視角理解這種改變游戲規(guī)則的革命性的可編程、自適應(yīng)平臺。

無處不在的同步

沒有同步，眾多應(yīng)用根本不可能存在。為什么這么說呢？本段將使用兩個具有代表性的示例來支持這個論斷。

在本文中，術(shù)語時鐘 (clock)、時間、鐘表時間 (TOD) 同義。

具體而言，對于同步，時鐘 (clock) 并非周期性的波形（圖 1）。

圖 1 - 在同步情景下定義時鐘

在我們的日常生活中（例 1），我們經(jīng)常說“明天下午 2點(diǎn)見面”。這個簡單陳述包含眾多關(guān)于同步的假設(shè)：

-   它假定受邀與會的人有同樣的時間觀念。如果您身處中歐，這句話假定雙方都使用 UTC +1^[1]

-   UTC時間由位于倫敦的計量實(shí)驗(yàn)室維護(hù)，也是世界常規(guī)使用的時間。我們的手機(jī)運(yùn)行 UTC 時間的副本并定期在后臺與 UTC 同步，確保二者保持同步。我們的計算機(jī)也進(jìn)行相同的操作^[2]。

簡單的一句陳述“我們在下午2 點(diǎn)見”，假定其背后存在復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施，而我們下意識地參考它。

例2 中考慮了一個“顯著”不同的情況：通過 GNSS 進(jìn)行地理定位^[3]。

手機(jī)接收來自多個不同衛(wèi)星的時間（就是時鐘），每個衛(wèi)星在同一時間發(fā)送一個。手機(jī)并非與所有衛(wèi)星距離相等，因此可以測量由不同源發(fā)送的時鐘之間的相位差。如果衛(wèi)星位置先天已知，GNSS接收器就很容易地重新計算自己的位置。

上面這兩個示例有眾多相似性：受邀參會的雙方有相同的時間觀念，就如例 2 中的衛(wèi)星。此外，雙方和衛(wèi)星都保持他們/它們參考的公共時間的副本。他們/它們并非直接共享同一個時間源，因?yàn)樗麄?它們在地理位置上彼此遠(yuǎn)離。

同步是讓本地時鐘副本（從時間）與公共參考（主時間）隨時間推移保持一致的技術(shù)。這就是我們在尋找的定義。

在上面兩個示例中，任何同步誤差都會影響最終應(yīng)用的性能。在第一個示例中，如果受邀人自己的時鐘慢了（舉例），他在會面時就會遲到。

在第二個示例中，如果衛(wèi)星的本地時鐘副本有誤差，那么 GNSS 接收器將計算出錯誤的位置。

雖然兩種應(yīng)用有眾多相似性，但二者之間存在根本的區(qū)別，即應(yīng)用要求的準(zhǔn)確性不同。在第一個示例中，如果時鐘慢了 1 秒，沒有人會抱怨，因?yàn)檠诱` 1 秒對會議而言一般可以容忍。而對于 GNSS 接收器，誤差 1 秒將導(dǎo)致計算出錯誤的位置，直接讓應(yīng)用不具備使用價值。

這就告訴我們，雖然這兩種應(yīng)用依靠相同的技術(shù)（同步），但驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)完全不同。事實(shí)上，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)只與應(yīng)用有關(guān)。雖然準(zhǔn)確性是最重要的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之一，但絕非唯一的標(biāo)準(zhǔn)。安全性、可用性、精度、集成度等都是其他的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)示例。

在我們繼續(xù)研討之前，有必要簡要介紹一下 UTC的背景。UTC使用原子鐘確保時間單位秒得到正確地定義?？梢詫⒌厍蜃赞D(zhuǎn)作為一種時間基準(zhǔn)，但令人遺憾的是，它的準(zhǔn)確度欠佳，因?yàn)樗鹉臧l(fā)生數(shù)秒的變化。在經(jīng)歷長時間以后，累積的誤差有可能導(dǎo)致 UTC 完全與地球時間不同步。例如在多年后，本該是中午，但 UTC時間是夜晚。為了解決這種潛在的長期失準(zhǔn)問題，倫敦計量實(shí)驗(yàn)室通過選擇性地定期增減1 秒，對 UTC進(jìn)行補(bǔ)償。這一般在每年的 6 月末和 12月末進(jìn)行。這些校正被稱作閏秒^[4]。

全球定位系統(tǒng) (GPS) 分配的時間使用與 UTC 相同的秒定義，但沒有采用閏秒。因此在 2021 年年初，GPS 時間和 UTC 時間相差 18秒。這個數(shù)字在未來還會改變。

作為用戶，我們不必?fù)?dān)心這些校正。我們的手機(jī)和計算機(jī)將在后臺同步到 UTC，即便存在閏秒，也能保持一致。

為在無數(shù)據(jù)覆蓋的時間和地點(diǎn)傳播 UTC，UTC 時間也通過德國 DCF77 電臺用長波傳播^[5]。

您也許會覺得相當(dāng)意外，但原子鐘的精度遠(yuǎn)優(yōu)于地球自轉(zhuǎn)。

Versal中的同步指標(biāo)

同步這一術(shù)語代表的是通用技術(shù)，而驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)則與應(yīng)用嚴(yán)格相關(guān)。在下文中，我將著重介紹 Versal 自適應(yīng)計算加速平臺 (ACAP) 的兩個具體指標(biāo)：

-   準(zhǔn)確性和精度。

-   集成：應(yīng)用的范圍一般遠(yuǎn)不止于同步。選擇集成所需的所有軟件塊和硬件塊的平臺是正確的做法。

Versal在這兩個指標(biāo)上都表現(xiàn)優(yōu)異，我將具體解釋其原因。

準(zhǔn)確性與精度

讀者可能想知道的第一個問題是：準(zhǔn)確性和精度，它們是不是一回事？

站在測量理論的角度，精度和準(zhǔn)確性有不同的意義且彼此獨(dú)立。我們現(xiàn)在具體了解。

如果重復(fù)測量同一對象得到的結(jié)果彼此相近（即使不正確），那么這個測量系統(tǒng)屬于“高精度”。

如果重復(fù)測量同一對象得到的結(jié)果的平均值正確，這個測量系統(tǒng)屬于“高準(zhǔn)確性”。

為更深入地理解上述定義，讀者應(yīng)考慮圖 2。在該系統(tǒng)中，對象（紅點(diǎn)）的位置在二維空間內(nèi)，而且我們想要測量它的位置。

我有兩個儀器（藍(lán)色和綠色），能測量對象的位置。五個藍(lán)點(diǎn)是藍(lán)色儀器完成的測量。五個綠點(diǎn)是綠色儀器完成的測量。

圖 2-精度與準(zhǔn)確性對比

根據(jù)上述定義，綠色儀器比藍(lán)色儀器更準(zhǔn)確，藍(lán)色儀器比綠色儀器更精確?，F(xiàn)在很容易理解準(zhǔn)確性和精度是彼此獨(dú)立的概念。讀者可以輕松地生成各種測量值集，可以是既不精確也不準(zhǔn)確，或者是既精確又準(zhǔn)確。

換言之，我們可以看到，只要測量系統(tǒng)是準(zhǔn)確的，求平均值就是提高我們對這個對象的位置的認(rèn)知的良好途徑。

如果測量系統(tǒng)不準(zhǔn)確，校準(zhǔn)是我們可以考慮的唯一解決方案。

導(dǎo)致時鐘的本地時鐘副本不準(zhǔn)確的最主要因素之一是電子電路，特別是收發(fā)器的 FIFO：

-   收發(fā)器FIFO 的時延在每次啟動時會發(fā)生改變

-   收發(fā)器FIFO 存在 PVT 相關(guān)時延^[6]

上述兩個因素需要分開考慮，因?yàn)樗鼈儗?zhǔn)確性產(chǎn)生影響的方式不同。

第一個因素直接影響準(zhǔn)確性：如果接收器和發(fā)送器在啟動時時延不同，IEEE1588 機(jī)制將無法檢測出這種不同。任何失衡都會直接地影響準(zhǔn)確性。甚至求平均值也不能緩解。對于圖 3 所示的這個案例，讀者會注意兩個測量值集存在偏向。

令人驚奇的是，第二個因素對準(zhǔn)確性沒有影響。事實(shí)上，因環(huán)境條件（電壓和溫度）造成的時延變化將同時適用于接收器和發(fā)送器，并且 IEEE1588 機(jī)制將予以抵消。在我們繼續(xù)進(jìn)行研討前，我認(rèn)為我們應(yīng)該更詳細(xì)地考慮一下上面這個論述。

這是否暗示時間傳遞只在啟動后進(jìn)行一次？答案是否。

如果我們只校準(zhǔn)一次，盡管 RX 和 TX 之間存在對稱性，但時延的改變?nèi)詴饛臅r鐘誤差，而且這個誤差將隨著溫度/電源漂移不斷累積。這種情況的對策是以快于溫度/供電變化的速度再同步。

我們回顧一下到目前的內(nèi)容：影響因素 1 要求我們在啟動時分別了解 RX 和 TX 的時延。影響因素 2 要求我們隨時間推移，用足夠快的速度再同步從時鐘。

Versal 收發(fā)器提供不同的替代方法來測量并控制時延，既在啟動時也在運(yùn)行中，這些方法可分為下列兩種類型：

圖 3-啟動間的時延變化

-   緩沖器旁路。

-    FIFO 時延測量。

緩沖器旁路允許在 RX 和 TX 方向繞過 FIFO，通過建立精密的時鐘方案，可處理跨時鐘域的數(shù)據(jù)，且避免時序誤差^[7]、^[8][i]。毋庸贅述，緩沖器旁路的時延最小。雖然這種“副作用”可能對同步應(yīng)用無關(guān)，但這對高頻交易 (HFT) 等其他行業(yè)領(lǐng)域而言則是關(guān)鍵。

緩沖器旁路能通過將收發(fā)器時延設(shè)定成固定值來解決問題，而另一類值得重視的方法是將重點(diǎn)放在時延測量本身。如果任何給定時間點(diǎn)的時延已知，則可以方便地重新用于以數(shù)學(xué)方式校正鐘表時間 (TOD) 值。

這種方法對同步應(yīng)用很有意義，因?yàn)樗槐匦薷?IP 本身的時鐘架構(gòu)，就能為所有 IP（首先是以太網(wǎng)）提供自然的升級路徑。

精度同時通過兩類方法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榫热Q于：

-   收發(fā)器內(nèi)置的硬編碼模擬相位檢測器以及

-   用戶控制的模擬相位內(nèi)插器。用戶可以用皮秒范圍的增量輕松實(shí)現(xiàn)時鐘相位的步進(jìn)或步退。

雖然這看似值得關(guān)注，但其準(zhǔn)確性如何？失準(zhǔn)的典型原因是啟動之間的時延變化，這是分頻器在重置后的隨機(jī)相位造成的。

Versal 能夠在啟動時測量或設(shè)置時延。這個初始校準(zhǔn)階段有助于確保已去除收發(fā)器中的所有失準(zhǔn)源。

正如我們之前提到的，運(yùn)行中發(fā)生的時延改變對 RX 和 TX 是對稱的，可通過 PTP 機(jī)制本身予以補(bǔ)償。我認(rèn)為對這個最后的論述有必要詳細(xì)闡述。如果 PTP 能夠補(bǔ)償這種類型的時延改變，那么隨時間推移時延測量的優(yōu)勢是什么？

很多情況下，時延的改變在 RX 和 TX 之間并不對稱。讀者可以考慮固有的非對稱協(xié)議的情況，例如 PON^[9]。

在其他情況下，RX 路徑和 TX 路徑可以在不同物理器件上：在測試設(shè)備上是典型情況。不同的器件可能有不同溫度，不同工藝和不同電源。所有這些原因綜合起來，將導(dǎo)致  RX 和 TX 之間的時延會隨時間的推移而演進(jìn)發(fā)展，從而導(dǎo)致失準(zhǔn)。

上面的示例，只是用來支持 RX 和 TX 之間的時延并非總是一起變化的觀點(diǎn)。

雖然很多平臺都能正確地實(shí)現(xiàn) PTP 協(xié)議，但 Versal 平臺便于您在工作中運(yùn)用自己的專業(yè)知識和思路，打贏這場準(zhǔn)確性之戰(zhàn)。這是一款助力您將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

從納秒級的典型架構(gòu)時鐘，到 Versal 內(nèi)硬編碼的模擬相位內(nèi)插器提供的皮秒級時鐘，Versal ACAP 在收發(fā)器時延控制和時延測量方面，堪稱變革者。

單芯片系統(tǒng)

在之前的部分中，我們已經(jīng)了解到 Versal 為何在準(zhǔn)確性和精度上表現(xiàn)優(yōu)異，以及開發(fā)同步應(yīng)用時的關(guān)鍵因素。

我希望讀者現(xiàn)在把重點(diǎn)放在“同步應(yīng)用”的含義上：任何運(yùn)用這項(xiàng)功能在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳遞 TOD 的應(yīng)用都屬于這個類別。毋庸贅述，這嚴(yán)重取決于具體用戶。一般情況下，這需要配備帶有專有軟件、計算邏輯和各種接口的處理器。大多數(shù)情況下，它甚至還需要高速 ADC 或 DAC 以及/或者 DSP 引擎。

Versal 是一種自適應(yīng)計算應(yīng)用平臺 (ACAP)，前文提及的所有構(gòu)建塊都在單芯片上集成在同一封裝內(nèi)。

系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計師將能夠運(yùn)用自己的專業(yè)知識，在單顆器件上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用。這是落實(shí)您的構(gòu)想的最便捷、最快速的途徑。

這只是關(guān)于Versal ACAP 的一個不同視角：在單芯片上運(yùn)行并準(zhǔn)確同步完整應(yīng)用。

結(jié)論

本文從兩個角度介紹了同一個具有革命性意義的 Versal 平臺：一個角度從宏觀上了解了運(yùn)行著配有線接口和無線接口的定制可編程引擎的完整應(yīng)用。

另一個角度在微觀上揭示出每種接口如何為極準(zhǔn)確的時間傳播提供支持。

處于 Versal 平臺的核心的，是構(gòu)建您自己的應(yīng)用所需的可編程邏輯。

在單顆器件上準(zhǔn)確同步完整應(yīng)用。

作者簡介

Paolo 是賽靈思首席工程師，負(fù)責(zé)為歐洲、中東和非洲的戰(zhàn)略客戶提供技術(shù)支持。他的主要研究領(lǐng)域包括猝發(fā)數(shù)據(jù)恢復(fù)電路、網(wǎng)絡(luò)時序同步、超采樣技術(shù)和低時延傳輸架構(gòu)。他是國際時間與同步論壇 (ITSF) 指導(dǎo)委員會委員。

Paolo 從米蘭理工大學(xué)微電子專業(yè)獲得碩士學(xué)位，持有 19 項(xiàng)已授權(quán)專利。

[1]協(xié)調(diào)通用時間 (UTC)。UTC基于世界各地多部原子鐘的平均值。

[2]通過使用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (NTP)

[3]全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。最為人熟知的GNSS 示例是美國擁有的GPS。此外，現(xiàn)在還有伽利略（歐盟所有）、格洛納斯（俄羅斯所有）和北斗（中國所有），這只是其中幾個最出名的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。我們手機(jī)中的所有現(xiàn)代化 GNSS 接收器都能使用多個 GNSS 系統(tǒng)，以提高運(yùn)行精度。

[4]進(jìn)一步了解可參閱https://en.wikipedia.org/wiki/Leap_second。該網(wǎng)頁不僅提供了自 1972 年以來采用的全部閏秒，而且也對這種方法進(jìn)行了介紹。

[5]進(jìn)一步了解請參閱： https://en.wikipedia.org/wiki/DCF77

[6]PVT 指功耗、電壓與溫度。

[7]UltraScale 架構(gòu) GTY  收發(fā)器使用指南

https://www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug578-ultrascale-gty-transceivers.pdf

[8]“白皮書《賽靈思：實(shí)現(xiàn) PTP 準(zhǔn)確性的最佳平臺》https://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp524-1588-platform.pdf

[9]進(jìn)一步了解，請訪問：https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_optical_network