Xilinx UltraScale?：為您未來架構(gòu)而打造的新一代架構(gòu)

　　UltraScale架構(gòu)與Vivado™設(shè)計套件結(jié)合使用可提供如下這些新一代系統(tǒng)級功能：

　　針對寬總線進行優(yōu)化的海量數(shù)據(jù)流，可支持數(shù)Tb級吞吐量和最低時延
　　高度優(yōu)化的關(guān)鍵路徑和內(nèi)置高速存儲器，級聯(lián)后可消除DSP和包處理中的瓶頸
　　增強型DSP slice包含27x18位乘法器和雙加法器，可以顯著提高定點和IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)浮點算法的性能與效率
　　第二代3D IC系統(tǒng)集成的晶片間帶寬以及最新3D IC寬存儲器優(yōu)化接口均實現(xiàn)階梯式增長
　　類似于ASIC的多區(qū)域時鐘，提供具備超低時鐘歪斜和高性能擴展能力的低功耗時鐘網(wǎng)絡(luò)
　　海量I/O和存儲器帶寬，用多個硬化的ASIC級100G以太網(wǎng)、Interlaken和PCIe^® IP核優(yōu)化，可支持新一代存儲器接口功能并顯著降低時延
　　電源管理可對各種功能元件進行寬范圍的靜態(tài)與動態(tài)電源門控，實現(xiàn)顯著節(jié)能降耗
　　新一代安全策略，提供先進的AES比特流解密與認證方法、更多密鑰模糊處理功能以及安全器件編程
　　通過與Vivado工具協(xié)同優(yōu)化消除布線擁塞問題，實現(xiàn)了90%以上的器件利用率，同時不降低性能或增大時延

　　系統(tǒng)設(shè)計人員將這些系統(tǒng)級功能進行多種組合，以解決各種問題。下面的寬數(shù)據(jù)路徑方框圖可以很好地說明這一問題。見圖3.　　

 

　　圖中，數(shù)據(jù)速率高達Tbps的數(shù)據(jù)流從從左側(cè)流入再從右側(cè)流出。系統(tǒng)必須在左右兩側(cè)的I/O端口之間傳輸數(shù)據(jù)流，同時還要執(zhí)行必要的處理工作?？梢酝ㄟ^高速串行收發(fā)器來進行I/O傳輸，運行速率高達數(shù)Gbps。一旦數(shù)Gbps的串行數(shù)據(jù)流進入器件，就必須扇出(fan out)，以便與片上資源的數(shù)據(jù)流、路由和處理能力相匹配。

　　Tb級系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)：時鐘歪斜與海量數(shù)據(jù)流

　　舉一個現(xiàn)實的實例，假設(shè)左側(cè)和右側(cè)I/O端口的帶寬為100Gb/s。這意味著片上資源也必須要處理至少100Gb/s的流量。設(shè)計人員一般采用512至1024位的寬總線或數(shù)據(jù)路徑來處理相關(guān)的數(shù)據(jù)吞吐量，產(chǎn)生一個與片上資源功能相匹配的系統(tǒng)時鐘。如果線速提高到400Gb/s，那么總線寬度達到1024至2048位也并不少見。

　　現(xiàn)在考慮一下這類總線的時鐘要求。在UltraScale架構(gòu)推出之前，高系統(tǒng)時鐘頻率運行會使這些海量數(shù)據(jù)路徑上的時鐘歪斜程度增大，甚至達到整個系統(tǒng)時鐘周期的將近一半。時鐘歪斜幾乎占用一半的時鐘周期，這種情況下設(shè)計方案需要依靠大量流水線才有可能達到目標(biāo)系統(tǒng)性能。只剩下一半的時鐘周期可用于計算，因此得到可行解決方案的幾率就會很低。大量使用流水線不僅會占用大量寄存器資源，而且還會對系統(tǒng)的總時延造成巨大影響，這也再次證明了這種方法在當(dāng)今的高性能系統(tǒng)中不可行。

　　UltraScale架構(gòu)提供類似ASIC時鐘功能

　　多虧UltraScale架構(gòu)提供類似ASIC的多區(qū)域時鐘功能，使得設(shè)計人員現(xiàn)在可以將系統(tǒng)級時鐘放在整個晶片的任何最佳位置上，從而使系統(tǒng)級時鐘歪斜降低多達50%。將時鐘驅(qū)動的節(jié)點放在功能模塊的幾何中心并且平衡不同葉節(jié)點時鐘單元(leaf clock cell)的時鐘歪斜，這樣可以打破阻礙實現(xiàn)多Gb系統(tǒng)級性能的一個最大瓶頸。系統(tǒng)總體時鐘歪斜降低后，就無需再使用大量流水線，并可消除隨之而來的時延問題。UltraScale架構(gòu)中類似于ASIC的時鐘功能不僅能移除時鐘布置方面的限制，還能在系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)大量獨立的高性能、低歪斜時鐘源。這與前幾代可編程邏輯器件中所采用的時鐘方案完全不同。從系統(tǒng)設(shè)計人員的角度出發(fā)，這種解決方案能輕松解決時鐘歪斜問題。

　　從容應(yīng)對海量數(shù)據(jù)流挑戰(zhàn)

　　極高性能應(yīng)用一般采用寬總線或?qū)挃?shù)據(jù)路徑來匹配路由到片上處理資源的數(shù)據(jù)流。然而采用寬總線來擴展性能時，除了要簡單處理時鐘歪斜問題外，還要應(yīng)對一系列自身挑戰(zhàn)。眾所周知，同類競爭架構(gòu)經(jīng)證實其適用于高性能設(shè)計的布線資源非常有限且缺乏靈活性。如果FPGA的互連架構(gòu)性能較低，那么用它來實現(xiàn)100Gb/s吞吐量的應(yīng)用時，需要將數(shù)據(jù)總線提升到1536至2048位的寬度。

　　盡管更寬的總線實現(xiàn)方案可以降低系統(tǒng)時鐘頻率，但由于缺乏支持寬總線系統(tǒng)所需的布線資源，因此會產(chǎn)生嚴重的時序收斂問題。而且有些FPGA廠商采用的是過時的模擬退火布局布線算法，不考慮擁塞程度和總線路長度等全局設(shè)計指標(biāo)，因此會進一步加劇時序收斂問題。這樣，設(shè)計人員就不得不進行多方面權(quán)衡，包括降低系統(tǒng)性能(通常不可取);使用大量流水線，不惜增大時延;或者降低可用器件資源利用率。在任何情況下，經(jīng)證明這些解決方案都是不佳或存在欠缺的方案。最重要的是，傳統(tǒng)FPGA中布線資源(用于滿足100Gb/s應(yīng)用的要求)的局限性幾乎可以說明它們不可能適用新一代多Tb應(yīng)用的要求，即便能適用，但器件的利用率會非常低，時延極高。