將GDDR6的優(yōu)勢從圖形計算擴展至高性能網(wǎng)絡應用

1. 概述

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202002/409986.htm

隨著網(wǎng)絡和數(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，如今也正被應用于網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心領域等其他領域，為產(chǎn)品提供低風險、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)絡行業(yè)宏觀趨勢，然后討論GDDR6如何以比當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)絡應用參考設計，以及如何應對GDDR6系統(tǒng)級設計中的信號完整性挑戰(zhàn)，敬請關注。

2. 網(wǎng)絡行業(yè)趨勢

思科在2019年發(fā)布的可視化網(wǎng)絡指數(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 （10¹⁸ Bytes），預計 到2022 年將增加到 396 EB，復合年增長率 （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。

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

同一研究[1]預測，智能手機和平板電腦等接入設備的數(shù)量將從 2017 年的 180 億臺增長到 2022 年的 285 多億臺設備（圖 2），屆時人均所擁有的網(wǎng)絡接入設備數(shù)量將達到 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設備的數(shù)量將超過50%。

圖 2：需要連接的網(wǎng)絡設備（Cisco VNI 2017-2022）[1]

3. 是什么在推動網(wǎng)絡需求？

幾個重要領域的增長正在推動網(wǎng)絡行業(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)絡的設備數(shù)量，如可穿戴設備、智能家電和汽車。

? 云服務：無數(shù)企業(yè)正在將其服務遷移到云中，云端的創(chuàng)新業(yè)務也在不斷的增加。

? 大數(shù)據(jù)分析：要使復雜網(wǎng)絡的所有部分都高效運行，網(wǎng)絡中的邊緣設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、更多的設備、更大的屏幕，以及更多樣的云端服務正在推動 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512Gb/s，是DDR4 的 10 倍。在未來，GDDR6將按照標準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)絡需求的理想選擇。

圖3: DDR vs. GDDR 容量比較 [2]

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，請務必考慮設計的所有方面。圖 5 比較了三種不同的方法，以滿足 1Tb 交換應用程序的需求。如圖所示，相對于DDR4，采用GDDR6 不僅可以將設計復雜性降低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 [2]

原因3：輕松設計

如果您已經(jīng)熟悉傳統(tǒng)的DDR 設計，則使用 GDDR 內(nèi)存進行設計將是一種熟悉的低風險體驗。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計規(guī)則區(qū)別較大，Achronix將提供高速信號設計手冊以及參考設計，幫助客戶低風險地從DDR遷移到GDDR6。

如果您已經(jīng)熟悉GDDR5設計，那么過渡至GDDR6將是非常順滑的設計體驗。GDDR6 和 GDDR5 之間的主要區(qū)別與封裝和引腳相關，遵循相同的設計實踐。

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

Achronix 半導體的 Speedster7t FPGA 系列針對高帶寬工作負載進行了優(yōu)化，消除了與傳統(tǒng) FPGA 相關的性能瓶頸。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 （NoC）和獨創(chuàng)的機器學習處理器 （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。