超高數(shù)據(jù)流通量FPGA新品類中的Block RAM級聯(lián)架構(gòu)

概述

隨著數(shù)據(jù)中心、人工智能、自動(dòng)駕駛、5G、計(jì)算存儲和先進(jìn)測試等應(yīng)用的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)流量不斷增大，不僅需要引入高性能、高密度FPGA來發(fā)揮其并行計(jì)算和可編程硬件加速功能，而且還對大量數(shù)據(jù)在FPGA芯片內(nèi)外流動(dòng)提出了更高的要求。于是，在FPGA芯片中集成包括片上二維網(wǎng)絡(luò)（2D NoC）和各種最新高速接口的新品類FPGA芯片應(yīng)運(yùn)而生，成為FPGA產(chǎn)業(yè)和相關(guān)應(yīng)用的新熱點(diǎn)。

拉開這場FPGA芯片創(chuàng)新大幕的是全球最大的獨(dú)立FPGA技術(shù)和產(chǎn)品提供商Achronix半導(dǎo)體公司，其采用7nm工藝打造的Achronix Speedster7t FPGA不僅擁有諸多高性能外圍Hard IP，而且是全球首次在FPGA的邏輯陣列上集成了2D NoC，一經(jīng)推出就在市場得到了積極的響應(yīng)，并引來競爭對手的模仿和跟隨。

Speedster7t這款專門針對人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)（AI / ML）和高帶寬應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的高性能、高密度FPGA，包括了革命性的二維片上網(wǎng)絡(luò)（2D NoC）、新型機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）、400G以太網(wǎng)和PCIe Gen5端口，以及高帶寬GDDR6和DDR4/5存儲控制器。Speedster7t FPGA架構(gòu)如圖1所示。

圖1  Speedster7t FPGA結(jié)構(gòu)圖

Achronix Speedster7t FPGA除了在外圍Hard IP上都采用目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的大帶寬高速率IP，在內(nèi)部的可編程邏輯的架構(gòu)中也做了大量的優(yōu)化去進(jìn)一步提高內(nèi)部可編程邏輯的性能，從而適配外圍IP超高帶寬需求。本文首先談?wù)?/span>Speedster7t FPGA的片上SRAM，也就是Block RAM針對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所做出的一些優(yōu)化。

Speedster7t FPGA中可編程邏輯的架構(gòu)

Speedster7t FPGA中內(nèi)部的可編程資源是按列排布，包括LUT、FF、ALU、MUX、MLP、Block RAM、Logic RAM。如圖2所示。

圖2  Speedster7t FPGA可編程邏輯結(jié)構(gòu)

其中MLP、Block RAM、Logic RAM是集成在一起，他們之間的連接用的是專有的走線，不占用可編程邏輯走線資源，這樣做的目的主要是為了提高性能，同時(shí)也可以節(jié)省可編程邏輯走線資源，這個(gè)架構(gòu)對于AI，還有需要用到MLP的一些復(fù)雜算法的性能優(yōu)化是非常明顯的，在我們的MLP系列文章中會詳細(xì)講到，這里我們只重點(diǎn)說一下Block RAM。

Speedster7t FPGA的Block RAM特點(diǎn)

Speedster7t FPGA內(nèi)部的Block RAM是一個(gè)容量為72k bit的簡單雙端口RAM，有一個(gè)讀端口，一個(gè)寫端口。兩個(gè)端口的時(shí)鐘完全獨(dú)立，并且可以完全獨(dú)立的配置讀寫位寬。它可以靈活的配置成簡單雙端口RAM或者ROM。

Block RAM的主要特性如表1所示。

表1  Block RAM的關(guān)鍵特性

Block RAM框圖如圖3所示。

圖3  Block RAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Speedster7t FPGA的Block RAM級聯(lián)結(jié)構(gòu)

Speedster7t FPGA的Block RAM最大的特點(diǎn)是增加了Block RAM間的級聯(lián)走線，級聯(lián)走線是BRAM間專有的連線，不占用可編程邏輯的走線資源，可以極大的提升多個(gè)Block RAM級聯(lián)的性能。圖4顯示了Block RAM間級聯(lián)走線的架構(gòu)。

圖4  Block RAM級聯(lián)結(jié)構(gòu)

由圖4可以看出，讀寫地址線和數(shù)據(jù)線都有專有的級聯(lián)線連接。這樣的架構(gòu)在一些場景中都會有應(yīng)用，比如：需要從外部端口接收數(shù)據(jù)或者從GDDR6讀數(shù)據(jù)去初始化大量Block RAM的場景，AI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)典型的應(yīng)用，在每一層的卷積算法中，系統(tǒng)都會從GDDR6讀出圖像數(shù)據(jù)和權(quán)重?cái)?shù)據(jù)放入每個(gè)引擎的Block RAM中，引擎計(jì)算完畢以后再存入到GDDR6中供下一次運(yùn)算使用。

有了這樣的級聯(lián)架構(gòu)，我們在寫入數(shù)據(jù)去初始化大量Block RAM的時(shí)候不需要外部數(shù)據(jù)有很大的扇出，直接通過同一列Block RAM的級聯(lián)線就可以輕松完成，具體實(shí)現(xiàn)可以參考Achronix MLP_Conv2D參考設(shè)計(jì)。另外一個(gè)例子就是在需要多個(gè)Block RAM去構(gòu)成更大容量的RAM的時(shí)候，如果利用級聯(lián)線可以大大提升系統(tǒng)的性能。我們針對這個(gè)專門做了一個(gè)工程比較一下，生成一個(gè)位寬64bit，深度16384的一個(gè)簡單雙端口RAM，需要用到16個(gè)Block RAM。我們分別用專有級聯(lián)線和內(nèi)部可編程邏輯去拼深度兩種方法來對比。可以看到用專有的級聯(lián)線資源更省，而且性能有了很大的提高。

使用專有的級聯(lián)線資源占用和性能：

使用可編程邏輯資源占用和性能：

后面我們會繼續(xù)深入了解Speedster7t FPGA可編程邏輯的各種特性，并且會用一些例子來說明如何更高效的利用這些特性，以將Speedster7t這款業(yè)界首創(chuàng)的高數(shù)據(jù)帶寬FPGA芯片與更多的創(chuàng)新智能化應(yīng)用結(jié)合起來。

此外，Achronix也提供Speedcore嵌入式FPGA硅知識產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品，用來幫助用戶在應(yīng)用規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大后，去開發(fā)帶有eFPGA邏輯陣列的ASIC或者SoC產(chǎn)品，它們由Achronix的ACE FPGA開發(fā)工具提供支持，從而可以重用FPGA開發(fā)成果，這是Achronix在率先引入2D NoC和MLP之外，另一個(gè)層面上的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

1 Achronix website www.achronix.com

2  Achronix Speedster7t IP component UG090