使用2D NoC簡化FPGA可編程邏輯功能的應用設計

日益增長的數(shù)據加速需求對硬件平臺提出了越來越高的要求，FPGA作為一種可編程可定制化的高性能硬件發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來，高端FPGA芯片采用了越來越多的Hard IP去提升FPGA外圍的數(shù)據傳輸帶寬以及存儲器帶寬。但是在FPGA內部，可編程邏輯部分隨著工藝提升而不斷進步的同時，內外部數(shù)據交換性能的提升并沒有那么明顯，所以FPGA內部數(shù)據的交換越來越成為數(shù)據傳輸?shù)钠款i。

為了解決這一問題，Achronix 在其最新基于臺積電（TSMC）7nm FinFET工藝的Speedster7t FPGA器件中包含了革命性的創(chuàng)新型二維片上網絡（2D NoC）。這種2D NoC如同在FPGA可編程邏輯結構之上運行的高速公路網絡一樣，為FPGA外部高速接口和內部可編程邏輯的數(shù)據傳輸提供了大約高達27Tbps的超高帶寬。

作為Speedster7t FPGA器件中的重要創(chuàng)新之一，2D NoC為FPGA設計提供了幾項重要優(yōu)勢，包括：

提高設計的性能，讓FPGA內部的數(shù)據傳輸不再成為瓶頸。

節(jié)省FPGA可編程邏輯資源，簡化邏輯設計，由NoC去替代傳統(tǒng)的邏輯去做高速數(shù)據傳輸和數(shù)據總線管理。

增加了FPGA的布線資源，對于資源占用很高的設計有效地降低布局布線擁塞的風險。

實現(xiàn)真正的模塊化設計，減小FPGA設計人員調試的工作量。

本文用了一個具體的FPGA設計案例，來體現(xiàn)上面提到的NoC在FPGA設計中的幾項重要作用。這個設計的主要目的是展示FPGA內部的邏輯如何去訪問片外的存儲器。如圖1所示，本設計包含8個讀寫模塊，這8個讀寫模塊需要訪問8個GDDR6通道，這樣就需要一個8x8的AXI interconnect模塊，同時需要有跨時鐘域的邏輯去將每個GDDR6用戶接口時鐘轉換到邏輯主時鐘。除了圖1中的8個讀寫模塊外，紅色區(qū)域的邏輯都需要用FPGA的可編程邏輯去實現(xiàn)。

圖1 傳統(tǒng)FPGA實現(xiàn)架構

對于AXI interconnect模塊，我們采用Github上開源的AXI4總線連接器來實現(xiàn)，這個AXI4總線連接器將4個AXI4總線主設備連接到8個AXI4總線從設備，源代碼可以在參考文獻2的鏈接中下載。我們在這個代碼的基礎上進行擴展，增加到8個AXI4總線主設備連接到8個AXI4總線從設備，同時加上了跨時鐘域邏輯。

為了進行對比，我們用另外一個設計，目的還是用這8個讀寫模塊去訪問8個GDDR6通道；不同的是，這次我們將8個讀寫模塊連接到Achronix的Speedster7t FPGA器件的2D NoC上，然后通過2D NoC去訪問8個GDDR6通道。如圖2所示：

首先，我們從資源和性能上做一個對比，如圖3所示：

從資源占用上看，用AXI總線連接器的設計會比用2D NoC的設計占用多出很多的資源，以實現(xiàn)AXI interconnect還有跨時鐘域的邏輯。這里還要說明一點，這個開源的AXI interconnect實現(xiàn)的是一種最簡單的總線連接器，并不支持2D NoC所能提供的所有功能，比如地址表映射，優(yōu)先級配置。

最重要的一點是AXI interconnect只支持阻塞訪問（blocking），不支持非阻塞訪問（non-blocking）。阻塞訪問是指發(fā)起讀或者寫請求以后，要等到本次讀或者寫操作完成以后，才能發(fā)起下一次的讀或者寫請求。而非阻塞訪問是指可以連續(xù)發(fā)起讀或者寫請求，而不用等待上次的讀或者寫操作完成。在提高GDDR6的訪問效率上面，阻塞訪問會讓讀寫效率大大下降。

如果用FPGA的可編程邏輯去實現(xiàn)完整的2D NoC功能，包括64個接入點、128bit位寬和400MHz的速率，大概需要850 k LE，等效于占用了Speedster7t 1500 FPGA器件56%的可編程資源。而2D NoC則可以提供 80個接入點、256bit位寬和2GHz速率，而且不占用FPGA可編程邏輯。

從性能上來看，使用AXI總線連接器的設計只能跑到157MHz，而使用NoC的設計則能跑到500MHz。如果我們看一下設計后端的布局布線圖，就會有更深刻的認識。圖4所示的是使用AXI總線連接器的設計后端布局布線圖。

從圖中可以看到，因為GDDR6控制器分布在器件的兩側（圖中彩色高亮的部分），所以AXI總線連接器的布局基本分布在器件的中間，既不能靠近左邊，也不能靠近右邊，所以這樣就導致了性能上不去。如果增加pipeline的寄存器可以提高系統(tǒng)的性能，但是這樣會占用大量的寄存器資源，同時會給GDDR的訪問帶來很大的延時。

如果再看一下圖5中使用了2D NoC的布局布線圖，就會有很明顯的對比。首先，因為用2D NoC實現(xiàn)了AXI總線連接器和跨時鐘域的模塊，這就節(jié)省了大量的資源；另外，因為2D NoC遍布在整個器件上，一共有80個接入點，所以8個讀寫模塊可以由工具放置在器件的任何地方，而不影響設計的性能。