Speedster7t FPGA芯片中GDDR6硬核控制器詳解

2025China.cn 2021年11月22日

1. 概述

　　為了適應未來硬件加速、網絡加速對片外存儲器的帶寬需求，目前市面上的高端FPGA主要采用了兩種解決方法。第一種最常見的就是HBM2高帶寬存儲器，2016年1月，HBM的第二代技術HBM2正式成為工業(yè)標準。集成了HBM2存儲器的高端FPGA可以提供高達460GB/s的帶寬，但是因為HBM2技術工藝要求高，目前芯片的良率和產量都會受到很大的影響，所以集成HBM2的高端FPGA成本一直居高不下。第二種是GDDR6存儲器，2018年，GDDR6發(fā)布，數(shù)據(jù)速率達到了16Gbps。Achronix看中了GDDR6在數(shù)據(jù)存儲中的帶寬優(yōu)勢，在新一代7nm工藝的Speedster7t FPGA集成了GDDR6硬核控制器，最高可支持高達512GB/s的帶寬，同時可以有效地控制使用成本。

2. Speedster7t FPGA中的GDDR6控制器

　　Achronix的Speedster7t FPGA集成了8個GDDR6的硬核，如圖1所示。

圖1 Speedster7t FPGA架構

　　每個GDDR6的硬核支持雙通道。總的帶寬是16Gbps x 16(位寬) x 2(通道) x 8(控制器)/8 = 512 GB/s，每個控制器有兩個獨立的訪問通道，每個通道的數(shù)據(jù)位寬為16位。這些GDDR6 控制器和PHY都是硬IP，無需消耗FPGA中的可編程邏輯資源，也無需面對布局布線所帶來的時序收斂挑戰(zhàn)。這些特征共同使GDDR6方案成為當前高端FPGA性能和成本兼顧的絕佳選擇。

3. GDDR6子系統(tǒng)概述

　　Achronix Speedster7t GDDR6子系統(tǒng)包括GDDR6 PHY和GDDR6控制器，全部采用了硬核設計。整個子系統(tǒng)包括GDDR6 PHY IP、GDDR6控制器IP、時鐘和復位模塊，APB接口和AXI4用戶接口可以連接到二維片上網絡(2D NoC)或者內部編程邏輯，如圖2所示。

圖2 Speedster7t GDDR6子系統(tǒng)框圖

　　時鐘和復位模塊用來產生支持GDDR6 PHY和GDDR6控制器的時鐘以及所需的復位信號，它的輸入時鐘來自于FPGA片上的PLL。對于數(shù)據(jù)速率為16Gbps的GDDR6，控制器時鐘為1GHz，PHY時鐘為500MHz，命令地址時鐘跑在2GHz，word clk也就是WCLK運行在8GHz，其他速率需要的時鐘如表1所示。

　　GDDR6控制器IP支持兩個通道，每個通道為16bit位寬。兩個通道獨立訪問不同的GDDR6空間?？刂破鞯挠脩艚涌跒闃藴实腁XI協(xié)議，可以連接到二維片上網絡上或者直接連到內部的可編程邏輯。在另外一邊，控制器和PHY的接口為DFI4.0接口。

　　表1 GDDR6支持的時鐘頻率模式

　　PHY IP用來連接器件外圍的高速GDDR6顆粒，它會像其他DRAM PHY一樣產生PRECHARGE、ACTIVE和REFRESH等命令。

　　APB全稱Advanced Peripheral Bus，字面上是先進外圍總線的意思，該總線協(xié)議是ARM公司提出的AMBA總線結構之一，已成為一種標準的片上總線結構。APB總線接口工作在250MHz，用來配置GDDR6子系統(tǒng)的寄存器，Speedster7t FPGA的配置電路FCU可以在啟動的時候通過APB總線接口配置GDDR6子系統(tǒng)的寄存器，用戶邏輯模塊也可以在FPGA運行的時候通過APB總線接口動態(tài)配置GDDR6子系統(tǒng)的寄存器。

4. GDDR6控制器結構

　　GDDR6控制器模塊的詳細結構如圖3所示。它包括主控部分和其他的一些子模塊，比如Multi-port front-end模塊，Reorder模塊，Read modify Write模塊，內存測試模塊和內存測試分析模塊。

　　MPFE模塊是前端多端口模塊，Speedster7t上的GDDR6控制器為每個通道提供了兩個MPFE端口，它們支持AXI4協(xié)議，每個端口能夠提供最大256Gbps的帶寬;其中一個AXI端口用于連接到二維片上網絡上，位寬為256位，時鐘是1GHz。另一個AXI端口用于直接連接到FPGA內部的可編程邏輯資源，位寬為512位，時鐘是500MHz。

　　Reorder模塊用來調整發(fā)給GDDR6控制器的用戶請求的順序。Reorder模塊里有一個深度為64的隊列，用于緩存用戶請求，只要隊列不滿就可以接收新的用戶請求。在接收到用戶請求以后，Reorder模塊可以調整用戶請求的順序，進而可以大大提高DRAM的訪問效率。用戶可以通過設置不同的參數(shù)來調整reorder的標準，同時這個模塊也可以bypass掉，維持用戶請求的原來順序。

　　RMW模塊是讀-修改-寫的模塊，先讀出內存中的數(shù)據(jù)內容，然后修改單個或者多個bit以后再整體寫回。有了這個模塊，GDDR6控制器支持將地址mask的功能。

　　Mem Test和Mem Test Analyzer是用于內存測試的模塊，Mem Test內存測試模塊支持生成不同的數(shù)據(jù)類型去寫入GDDR6;Mem Test Analyzer內存測試分析模塊將讀到的數(shù)據(jù)與期望的數(shù)據(jù)進行比較，從而驗證GDDR6的硬件接口和讀寫功能是否正常。

圖3 Speedster7t GDDR6控制器框圖

　　GDDR6控制器支持兩種模式，正常x16模式和Clamshell x8模式。在x16模式下，控制器提供了每通道16位的雙通道接口，可以連接一個GDDR6顆粒。在Clamshell x8模式下，如圖4所示，控制器提供了每通道8位的雙通道接口，可以連接兩個GDDR6顆粒。Clamshell模式提供了一種在不改變控制器帶寬的情況下，通過在兩個GDDR6顆粒間share地址和命令總線將容量加倍的一種方法。