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作者：Achronix資深應用工程師 黃侖 1. 概述 為了適應未來硬件加速、網絡加速對片外存儲器的帶寬需求，目前市面上的高端FPGA主要采用了兩種解決方法。第一種最常見的就是HBM2高帶寬存儲器，2016年1月，HBM的第二代技術HBM2正式成為工業標準。集成了HBM2存儲器的高端FPGA可以提供高達460GB/s的帶寬，但是因為HBM2技術工藝要求高，目前芯片的良率和產量都會受到很大的影響，所以集成HBM2的高端FPGA成本一直居高不下。第二種是GDDR6存儲器，2018年，GDDR6發布，數據速率達到了16Gbps。Achronix看中了GDDR6在數據存儲中的帶寬優勢，在新一代7nm工藝的Speedster7t FPGA集成了GDDR6硬核控制器，最高可支持高達512GB/s的帶寬，同時可以有效地控制使用成本。 2. Speedster7t FPGA中的GDDR6控制器 Achronix的Speedster7t FPGA集成了8個GDDR6的硬核，如圖1所示。 
圖1 Speedster7t FPGA架構 每個GDDR6的硬核支持雙通道。總的帶寬是16Gbps x 16(位寬) x 2(通道) x 8(控制器)/8 = 512 GB/s，每個控制器有兩個獨立的訪問通道，每個通道的數據位寬為16位。這些GDDR6 控制器和PHY都是硬IP，無需消耗FPGA中的可編程邏輯資源，也無需面對布局布線所帶來的時序收斂挑戰。這些特征共同使GDDR6方案成為當前高端FPGA性能和成本兼顧的絕佳選擇。 3. GDDR6子系統概述 Achronix Speedster7t GDDR6子系統包括GDDR6 PHY和GDDR6控制器，全部采用了硬核設計。整個子系統包括GDDR6 PHY IP、GDDR6控制器IP、時鐘和復位模塊，APB接口和AXI4用戶接口可以連接到二維片上網絡（2D NoC）或者內部編程邏輯，如圖2所示。
圖2 Speedster7t GDDR6子系統框圖 時鐘和復位模塊用來產生支持GDDR6 PHY和GDDR6控制器的時鐘以及所需的復位信號，它的輸入時鐘來自于FPGA片上的PLL。對于數據速率為16Gbps的GDDR6，控制器時鐘為1GHz，PHY時鐘為500MHz，命令地址時鐘跑在2GHz，word clk也就是WCLK運行在8GHz，其他速率需要的時鐘如表1所示。 GDDR6控制器IP支持兩個通道，每個通道為16bit位寬。兩個通道獨立訪問不同的GDDR6空間。控制器的用戶接口為標準的AXI協議，可以連接到二維片上網絡上或者直接連到內部的可編程邏輯。在另外一邊，控制器和PHY的接口為DFI4.0接口。 表1 GDDR6支持的時鐘頻率模式
PHY IP用來連接器件外圍的高速GDDR6顆粒，它會像其他DRAM PHY一樣產生PRECHARGE、ACTIVE和REFRESH等命令。 APB全稱Advanced Peripheral Bus，字面上是先進外圍總線的意思，該總線協議是ARM公司提出的AMBA總線結構之一，已成為一種標準的片上總線結構。APB總線接口工作在250MHz，用來配置GDDR6子系統的寄存器，Speedster7t FPGA的配置電路FCU可以在啟動的時候通過APB總線接口配置GDDR6子系統的寄存器，用戶邏輯模塊也可以在FPGA運行的時候通過APB總線接口動態配置GDDR6子系統的寄存器。 4. GDDR6控制器結構 GDDR6控制器模塊的詳細結構如圖3所示。它包括主控部分和其他的一些子模塊，比如Multi-port front-end模塊，Reorder模塊，Read modify Write模塊，內存測試模塊和內存測試分析模塊。 MPFE模塊是前端多端口模塊，Speedster7t上的GDDR6控制器為每個通道提供了兩個MPFE端口，它們支持AXI4協議，每個端口能夠提供最大256Gbps的帶寬；其中一個AXI端口用于連接到二維片上網絡上，位寬為256位，時鐘是1GHz。另一個AXI端口用于直接連接到FPGA內部的可編程邏輯資源，位寬為512位，時鐘是500MHz。 Reorder模塊用來調整發給GDDR6控制器的用戶請求的順序。Reorder模塊里有一個深度為64的隊列，用于緩存用戶請求，只要隊列不滿就可以接收新的用戶請求。在接收到用戶請求以后，Reorder模塊可以調整用戶請求的順序，進而可以大大提高DRAM的訪問效率。用戶可以通過設置不同的參數來調整reorder的標準，同時這個模塊也可以bypass掉，維持用戶請求的原來順序。 RMW模塊是讀-修改-寫的模塊，先讀出內存中的數據內容，然后修改單個或者多個bit以后再整體寫回。有了這個模塊，GDDR6控制器支持將地址mask的功能。 Mem Test和Mem Test Analyzer是用于內存測試的模塊，Mem Test內存測試模塊支持生成不同的數據類型去寫入GDDR6；Mem Test Analyzer內存測試分析模塊將讀到的數據與期望的數據進行比較，從而驗證GDDR6的硬件接口和讀寫功能是否正常。
圖3 Speedster7t GDDR6控制器框圖 GDDR6控制器支持兩種模式，正常x16模式和Clamshell x8模式。在x16模式下，控制器提供了每通道16位的雙通道接口，可以連接一個GDDR6顆粒。在Clamshell x8模式下，如圖4所示，控制器提供了每通道8位的雙通道接口，可以連接兩個GDDR6顆粒。Clamshell模式提供了一種在不改變控制器帶寬的情況下，通過在兩個GDDR6顆粒間share地址和命令總線將容量加倍的一種方法。
圖4 GDDR6 Clamshell模式 后面我們還會繼續深入了解Speedster 7t FPGA上的一些其他特性，以及這些特性如何運用在數據加速和網絡加速應用中，敬請期待。如需更多信息或者有任何疑問您可以通過Achronix公眾號里聯系方式聯系我們，也可訪問Achronix公司官方網站http://www.achronix.com 參考文獻： 1. Micron 8Gb/16Gb GDDR6 Product Brief 2. Achronix website www.achronix.com |
