將GDDR6的優(yōu)勢從圖形計算擴展至高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

時間：2020-02-17 18:53:32

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[導(dǎo)讀]Achronix Speedster7t FPGA如何運用GDDR6滿足下一代網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的高帶寬需求

將GDDR6的優(yōu)勢從圖形計算擴展至高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

作者：Achronix資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師? 袁光（Kevin Yuan）

Achronix Speedster7t FPGA如何運用GDDR6滿足下一代網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的高帶寬需求

簡介：隨著網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心帶寬需求的日益提升，針對高性能內(nèi)存解決方案的需求也是水漲船高。對于超過 400 Gbps 的系統(tǒng)開發(fā)，以經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)內(nèi)存方案的性能和效率已經(jīng)成為項目中的重要挑戰(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，針對高性能內(nèi)存解決方案的需求也是水漲船高。對于超過 400 Gbps 的系統(tǒng)開發(fā)，以經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)內(nèi)存方案的性能和效率已經(jīng)成為項目中的重要挑戰(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和PC的高性能圖形計算需求而開發(fā)的，自2008年面市至今歷經(jīng)十余載，已經(jīng)在市場中久經(jīng)考驗，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、靈活而又經(jīng)濟高效內(nèi)存解決方案。

在接下來的章節(jié)中，本文將首先分享推動這些高帶寬和高性能需求的網(wǎng)絡(luò)行業(yè)宏觀趨勢，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。

我們將會陸續(xù)推出關(guān)于GDDR6其他有用知識的系列文章，比如GDDR6構(gòu)架和基本使用方法，存取帶寬與延遲的性能測評，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用參考設(shè)計，以及如何應(yīng)對GDDR6系統(tǒng)級設(shè)計中的信號完整性挑戰(zhàn)，敬請關(guān)注。

2. 網(wǎng)絡(luò)行業(yè)趨勢

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

將GDDR6的優(yōu)勢從圖形計算擴展至高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

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

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

將GDDR6的優(yōu)勢從圖形計算擴展至高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

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

3. 是什么在推動網(wǎng)絡(luò)需求？

幾個重要領(lǐng)域的增長正在推動網(wǎng)絡(luò)行業(yè)中這些前所未有的需求：

? 移動數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)視頻：通過互聯(lián)網(wǎng)按需訪問數(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，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。

? 云服務(wù)：無數(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行，網(wǎng)絡(luò)中的邊緣設(shè)備必須通過智能的數(shù)據(jù)分析，來更好、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 IP 流量呈指數(shù)級增長。在增長沒有放緩跡象的情況下，我們?nèi)绾卧O(shè)計產(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，GDDR6將按照標(biāo)準(zhǔn)向更高容量更快速度演進。GDDR6的這些優(yōu)勢，使其成為滿足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)需求的理想選擇。

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圖3: DDR vs. GDDR 容量比較 [2]

將GDDR6的優(yōu)勢從圖形計算擴展至高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

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，請務(wù)必考慮設(shè)計的所有方面。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，相對于DDR4，采用GDDR6 不僅可以將設(shè)計復(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%。

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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

如果您已經(jīng)熟悉傳統(tǒng)的DDR 設(shè)計，則使用 GDDR 內(nèi)存進行設(shè)計將是一種熟悉的低風(fēng)險體驗。對邏輯工程師和軟件工程師來說，GDDR6 與傳統(tǒng)DDR技術(shù)使用的方法類似，Speedster7t FPGA 所內(nèi)建的GDDR6控制器進一步簡化了設(shè)計。對于硬件工程師來說，GDDR6 的高速單端SerDes信號管腳與DDR的低速信號管腳的設(shè)計規(guī)則區(qū)別較大，Achronix將提供高速信號設(shè)計手冊以及參考設(shè)計，幫助客戶低風(fēng)險地從DDR遷移到GDDR6。

如果您已經(jīng)熟悉GDDR5設(shè)計，那么過渡至GDDR6將是非常順滑的設(shè)計體驗。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)計實踐。

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

Achronix 半導(dǎo)體的 Speedster7t FPGA 系列針對高帶寬工作負(fù)載進行了優(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）和獨創(chuàng)的機器學(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 級性能，同時保留完整的編程性能。

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

Speedster7t FPGA 設(shè)計具有多達(dá)8個 GDDR6 控制器，以較低的成本提供最快的訪問速度，同時保證相當(dāng)于LPDDR5水平的低功耗。每個 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(zhàn)。這些特征共同使GDDR6 SDRAM 接口成為下一代系統(tǒng)設(shè)計的絕佳選擇。