將GDDR6的優(yōu)勢(shì)從圖形計(jì)算擴(kuò)展至高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

簡(jiǎn)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(duì)高性能內(nèi)存解決方案的需求也是水漲船高。對(duì)于超過(guò)400Gbps的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存方案的性能和效率已經(jīng)成為項(xiàng)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(duì)高性能內(nèi)存解決方案的需求也是水漲船高。對(duì)于超過(guò)400Gbps的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)存方案的性能和效率已經(jīng)成為項(xiàng)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(mǎn)足游戲機(jī)和PC的高性能圖形計(jì)算需求而開(kāi)發(fā)的，自2008年面市至今歷經(jīng)十余載，已經(jīng)在市場(chǎng)中久經(jīng)考驗(yàn)，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(xiǎn)、靈活而又經(jīng)濟(jì)高效內(nèi)存解決方案。

在接下來(lái)的章節(jié)中，本文將首先分享推動(dòng)這些高帶寬和高性能需求的網(wǎng)絡(luò)行業(yè)宏觀趨勢(shì)，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(mǎn)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(huì)陸續(xù)推出關(guān)于GDDR6其他有用知識(shí)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(cè)評(píng)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用參考設(shè)計(jì)，以及如何應(yīng)對(duì)GDDR6系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)，敬請(qǐng)關(guān)注。

2.網(wǎng)絡(luò)行業(yè)趨勢(shì)

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

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

同一研究預(yù)測(cè)，智能手機(jī)和平板電腦等接入設(shè)備的數(shù)量將從2017年的180億臺(tái)增長(zhǎng)到2022年的285多億臺(tái)設(shè)備(圖2)，屆時(shí)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(tái)。得益于5G以及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的發(fā)展，2022年總連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量中M2M設(shè)備的數(shù)量將超過(guò)50%。

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

3.是什么在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求?

幾個(gè)重要領(lǐng)域的增長(zhǎng)正在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)中這些前所未有的需求：

?移動(dòng)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)視頻：通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)按需訪問(wèn)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(wèn)，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(wèn)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(chē)。

?云服務(wù)：無(wú)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(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)中的邊緣設(shè)備必須通過(guò)智能的數(shù)據(jù)分析，來(lái)更好、更快地了解其攜帶的數(shù)據(jù)。

總之，更多的用戶(hù)、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(dòng)IP流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在增長(zhǎng)沒(méi)有放緩跡象的情況下，我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)產(chǎn)品以滿(mǎn)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(lái)，GDDR6將按照標(biāo)準(zhǔn)向更高容量更快速度演進(jìn)。GDDR6的這些優(yōu)勢(shì)，使其成為滿(mǎn)足現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)需求的理想選擇。

圖3:DDR vs.GDDR容量比較

圖4:DDR vs.GDDR帶寬比較

原因2：降低總擁有成本

在考慮總擁有成本(TCO)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必考慮設(shè)計(jì)的所有方面。圖5比較了三種不同的方法，以滿(mǎn)足1Tb交換應(yīng)用程序的需求。如圖所示，相對(duì)于DDR4，采用GDDR6不僅可以將設(shè)計(jì)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%。

圖5:各種主流內(nèi)存方案的總擁有成本(TCO)比較

原因3：輕松設(shè)計(jì)

如果您已經(jīng)熟悉傳統(tǒng)的DDR設(shè)計(jì)，則使用GDDR內(nèi)存進(jìn)行設(shè)計(jì)將是一種熟悉的低風(fēng)險(xiǎn)體驗(yàn)。對(duì)邏輯工程師和軟件工程師來(lái)說(shuō)，GDDR6與傳統(tǒng)DDR技術(shù)使用的方法類(lèi)似，Speedster7t FPGA所內(nèi)建的GDDR6控制器進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。對(duì)于硬件工程師來(lái)說(shuō)，GDDR6的高速單端SerDes信號(hào)管腳與DDR的低速信號(hào)管腳的設(shè)計(jì)規(guī)則區(qū)別較大，Achronix將提供高速信號(hào)設(shè)計(jì)手冊(cè)以及參考設(shè)計(jì)，幫助客戶(hù)低風(fēng)險(xiǎn)地從DDR遷移到GDDR6。

如果您已經(jīng)熟悉GDDR5設(shè)計(jì)，那么過(guò)渡至GDDR6將是非常順滑的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。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(jì)實(shí)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(duì)高帶寬工作負(fù)載進(jìn)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(tái)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(dú)創(chuàng)的機(jī)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(jí)性能，同時(shí)保留完整的編程性能。

圖6:Achronix Speedster7t 1500高性能FPGA構(gòu)架

Speedster7t FPGA設(shè)計(jì)具有多達(dá)8個(gè)GDDR6控制器，以較低的成本提供最快的訪問(wèn)速度，同時(shí)保證相當(dāng)于LPDDR5水平的低功耗。每個(gè)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(wú)需消耗FPGA中的可編程邏輯資源，也無(wú)需面對(duì)布局布線所帶來(lái)的時(shí)序收斂挑戰(zhàn)。這些特征共同使GDDR6SDRAM接口成為下一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的絕佳選擇。