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(jié)構(gòu)上運(yùn)行的高速公路網(wǎng)絡(luò)一樣，為FPGA外部高速接口和內(nèi)部可編程邏輯的數(shù)據(jù)傳輸提供了超高帶寬。

如圖1所示。

圖1 Speedster 7t FPGA結(jié)構(gòu)圖

2.2D NoC給Speedster 7t FPGA帶來的優(yōu)勢

日益增長的數(shù)據(jù)加速需求對硬件平臺提出了越來越高的要求，F(xiàn)PGA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用了越來越多的Hard IP去提升FPGA外圍的數(shù)據(jù)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，通信性能的提升并沒有那么明顯，所以FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)的交換越來越成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。

Achronix將此挑戰(zhàn)視為一個開發(fā)全新架構(gòu)的機(jī)會，以消除傳統(tǒng)FPGA的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并提高系統(tǒng)性能。Achronix的解決方案是在傳統(tǒng)FPGA布線結(jié)構(gòu)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(xiàn)，固定運(yùn)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FPGA內(nèi)部分發(fā)數(shù)據(jù)，從而在整個FPGA結(jié)構(gòu)中以水平和垂直方式分發(fā)數(shù)據(jù)流量。NoC中的每一行或每一列都有兩個256位的、單向的、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AXI通道，可以在每個方向上以512 Gbps（256bit x 2GHz）的傳輸帶寬運(yùn)行。總帶寬高達(dá)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，每個交叉節(jié)點(diǎn)都有兩個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(NAP)，如圖2所示，一個是master，一個是slave。整個器件總共有160個這樣的接入點(diǎn)，這樣可以保證無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(shù)據(jù)在二維片上網(wǎng)絡(luò)上傳輸也會有延遲，數(shù)據(jù)沒經(jīng)過一個網(wǎng)格的長度，延時會增加2~3個時鐘周期，也就是1~1.5ns(時鐘固定為2GHz，所以一個周期為0.5ns)。

由此可見，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(yīng)用帶來實(shí)質(zhì)性的性能提升至關(guān)重要。

4.如何更高效地規(guī)劃2D NoC的性能—可視化的NoC性能分析

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

工具使用起來非常簡單，在ACE工具中點(diǎn)擊圖標(biāo)，就可以進(jìn)入NoC Performance View的頁面，在這個頁面中點(diǎn)擊Browse，導(dǎo)入仿真的log文件。

圖3 導(dǎo)入仿真log文件

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

圖4 NoC Performance View選項(xiàng)

在Throughput模式下，綠色代表高吞吐量，淺藍(lán)色代表中等吞吐量，深藍(lán)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，紅色代表擁塞程度最高，黃色代表擁塞程度中等，綠色代表擁塞程度低。如圖6所示。

圖5 NoC Performance View的Blockage模式

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

圖6 鼠標(biāo)懸浮顯示

所以通過NoC Performance View的工具，我們可以很直觀的看到二維片上網(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(jù)這個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(yùn)行。

后面我們會繼續(xù)深入了解Speedster 7t FPGA各種特性，并且會用一些例子來說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您可以通過Achronix公眾號里聯(lián)系方式聯(lián)系我們，也可訪問Achronix公司官方網(wǎng)站 http://www.achronix.com

參考文獻(xiàn)：

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）