可視化的片上網(wǎng)絡(luò )（NoC）性能分析

1. 概述

Achronix 最新基于臺積電（TSMC）的7nm FinFET工藝的Speedster7t FPGA器件包含了革命性的新型二維片上網(wǎng)絡(luò )（2D NoC）。2D NoC如同在FPGA可編程邏輯結構上運行的高速公路網(wǎng)絡(luò )一樣，為FPGA外部高速接口和內部可編程邏輯的數據傳輸提供了超高帶寬。

如圖1所示。

圖1 Speedster 7t FPGA結構圖

2.2D NoC給Speedster 7t FPGA帶來(lái)的優(yōu)勢

日益增長(cháng)的數據加速需求對硬件平臺提出了越來(lái)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(zhù)越來(lái)越重要的作用。 近年來(lái)高端FPGA用了越來(lái)越多的Hard IP去提升FPGA外圍的數據傳輸帶寬以及存儲器帶寬。但是在邏輯陣列密度不斷提升的同時(shí)，通信性能的提升并沒(méi)有那么明顯，所以FPGA內部數據的交換越來(lái)越成為數據傳輸的瓶頸。

Achronix將此挑戰視為一個(gè)開(kāi)發(fā)全新架構的機會(huì )，以消除傳統FPGA的設計挑戰并提高系統性能。Achronix的解決方案是在傳統FPGA布線(xiàn)結構之上，創(chuàng )新地使用了革命性的二維（2D）高速片上網(wǎng)絡(luò )（NoC）。Speedster7t NoC連接到所有片上高速接口：400G以太網(wǎng)、PCIe Gen5、GDDR6和DDR4 / 5的多個(gè)端口。

3.2D NoC的性能

Speedster 7t FPGA上的二維片上網(wǎng)絡(luò )（2D NoC）不是由可編程邏輯搭建，而是固化的ASIC邏輯實(shí)現，固定運行頻率為2GHz，NoC使用一系列高速的行和列網(wǎng)絡(luò )通路在整個(gè)FPGA內部分發(fā)數據，從而在整個(gè)FPGA結構中以水平和垂直方式分發(fā)數據流量。NoC中的每一行或每一列都有兩個(gè)256位的、單向的、行業(yè)標準的AXI通道，可以在每個(gè)方向上以512 Gbps（256bit x 2GHz）的傳輸帶寬運行?？値捀哌_27Tbps。

圖2  Speedster 7t FPGA NoC和接入點(diǎn)NAP

在Speedster 7t的二維片上網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)交叉節點(diǎn)都有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)(NAP)，如圖2所示，一個(gè)是master，一個(gè)是slave。整個(gè)器件總共有160個(gè)這樣的接入點(diǎn)，這樣可以保證無(wú)論邏輯放置在器件的任何地方，工具都能找到最近的NAP，使之走上二維片上網(wǎng)絡(luò )。數據在二維片上網(wǎng)絡(luò )上傳輸也會(huì )有延遲，數據沒(méi)經(jīng)過(guò)一個(gè)網(wǎng)格的長(cháng)度，延時(shí)會(huì )增加2~3個(gè)時(shí)鐘周期，也就是1~1.5ns(時(shí)鐘固定為2GHz，所以一個(gè)周期為0.5ns)。

由此可見(jiàn)，二維片上網(wǎng)絡(luò )給高端FPGA帶了巨大的性能優(yōu)勢，但是如何高效的利用這種優(yōu)勢給自己的應用帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的性能提升至關(guān)重要。

4.如何更高效地規劃2D NoC的性能—可視化的NoC性能分析

Achronix在新版ACE工具中提供一個(gè)可視化的NoC性能分析工具，只用導入simulation的log文件就可以直觀(guān)的看到在不同的時(shí)間片，NoC上面的帶寬占用情況，以便于設計者能更好地規劃NAP的位置，均衡NoC的帶寬利用，使其工作地更為高效。

工具使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，在A(yíng)CE工具中點(diǎn)擊圖標，就可以進(jìn)入NoC Performance View的頁(yè)面，在這個(gè)頁(yè)面中點(diǎn)擊Browse，導入仿真的log文件。

圖3 導入仿真log文件

在NoC Performance View頁(yè)面的右邊有一個(gè)選項列表，可以顯示不同條件下NoC占用情況。第一個(gè)選項是選擇顯示的協(xié)議，Flit還是AXI。第二個(gè)選項是選擇顯示哪種AXI Type。第三個(gè)選項是選擇顯示模式，Throughput模式還是Blockage模式。

圖4 NoC Performance View選項

在Throughput模式下，綠色代表高吞吐量，淺藍色代表中等吞吐量，深藍色代表低吞吐量，如圖5所示。

圖5 NoC Performance View的throughput模式

在Blockage模式下，紅色代表?yè)砣潭茸罡?，黃色代表?yè)砣潭戎械?，綠色代表?yè)砣潭鹊?。如圖6所示。

圖5 NoC Performance View的Blockage模式

在圖中用鼠標懸停在有顏色的部分，在懸浮的窗口中會(huì )顯示圖中對應的具體的log文件中的信息，包括時(shí)間點(diǎn)以及哪條會(huì )話(huà)。

圖6 鼠標懸浮顯示

所以通過(guò)NoC Performance View的工具，我們可以很直觀(guān)的看到二維片上網(wǎng)絡(luò )的使用情況，哪里利用率比較高，哪里利用率比較低，根據這個(gè)工具我們可以更容易的為邏輯指定更適合接入點(diǎn)NAP去接入到而且片上網(wǎng)絡(luò )，從而使二維片上網(wǎng)絡(luò )更高效的運行。

后面我們會(huì )繼續深入了解Speedster 7t FPGA各種特性，并且會(huì )用一些例子來(lái)說(shuō)明如何更高效的利用這些特性，敬請期待。 如需更多信息或者有任何疑問(wèn)您可以通過(guò)Achronix公眾號里聯(lián)系方式聯(lián)系我們，也可訪(fǎng)問(wèn)Achronix公司官方網(wǎng)站 http://www.achronix.com

參考文獻：

1.Achronix網(wǎng)站：www.achronix.com

2.使用帶有片上高速網(wǎng)絡(luò )的FPGA的八大好處（WP020）