1. 概述
隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，人類所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)生了前所未有的,、爆炸性的增長,。IDC預(yù)測，全球數(shù)據(jù)總量將從2019年的45ZB增長到2025年的175ZB[1],。同時(shí),，全球數(shù)據(jù)中近30%將需要實(shí)時(shí)處理，因而帶來了對FPGA等硬件數(shù)據(jù)處理加速器的需求,。如圖1所示,。
圖1 全球數(shù)據(jù)增長預(yù)測
在這樣的數(shù)據(jù)高速增長的情況下，用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理數(shù)據(jù)所需要的算力也必須急速增長,。傳統(tǒng)的CPU已經(jīng)越來越不堪重負(fù),，所以用硬件加速來減輕CPU的負(fù)擔(dān)是滿足未來性能需求的重要發(fā)展方向,。未來的硬件發(fā)展需求對于用于加速的硬件平臺(tái)提出了越來越高的要求,，可以概括為三個(gè)方面：算力、數(shù)據(jù)傳輸帶寬和存儲(chǔ)器帶寬,。
Achronix的新一代采用臺(tái)積電7nm工藝的Speedster 7t FPGA芯片根據(jù)未來硬件加速和網(wǎng)絡(luò)加速的需求,，在這三個(gè)方面都做了優(yōu)化，消除了傳統(tǒng)FPGA的瓶頸,。下面我們重點(diǎn)說一說為了提高存儲(chǔ)器帶寬,，Achronix通過采用硬核GDDR6控制器所帶來的優(yōu)勢,。
2. GDDR6的發(fā)展
在GDDR的設(shè)計(jì)之初，其定位是針對圖形顯示卡所特別優(yōu)化的一種DDR內(nèi)存,。因?yàn)?000年后電腦游戲特別是3D游戲的發(fā)展和火爆,，使運(yùn)行電腦游戲的顯卡需要有大量的高速圖像數(shù)據(jù)交互需求，GDDR在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生,。第一個(gè)GDDR標(biāo)準(zhǔn)是基于DDR的GDDR2,，隨后發(fā)展到了基于DDR3的GDDR5，在一段時(shí)間中非常流行,。
2016年,，GDDR5X正式發(fā)布，它引入了具有16n預(yù)取的四倍數(shù)據(jù)速率模式,，但代價(jià)是訪問粒度從GDDR5的32Byte提高到了64Byte,。2018年，GDDR6發(fā)布,，數(shù)據(jù)速率達(dá)到了16Gbps,，帶寬幾乎是GDDR5X的兩倍，同時(shí)采用了雙通道設(shè)計(jì),，訪問粒度和GDDR5一樣是32Byte,。
3. GDDR6 和 DDR4/5的比較
GDDR一直以來是針對圖形顯示卡所優(yōu)化的一種DDR內(nèi)存。因?yàn)轱@卡處理圖像數(shù)據(jù),，特別是3D圖像數(shù)據(jù)對顯存帶寬的要求更高,，GPU和GDDR之間的數(shù)據(jù)交換非常頻繁。而DDR內(nèi)存專注于與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的效率,，因此對于整體存取性能,、低延遲更為看重，所以在CPU和傳統(tǒng)的FPGA中基本都是用DDR4,。
隨著硬件加速需求對于存儲(chǔ)器的帶寬提出了越來越高的要求,，傳統(tǒng)的DDR4帶寬顯然已經(jīng)無法滿足要求，Achronix看重了GDDR6在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的帶寬優(yōu)勢,，創(chuàng)新地將GDDR6引入到了FPGA,，徹底解決了傳統(tǒng)FPGA存儲(chǔ)帶寬不夠的瓶頸。
2020年7月15日,，JEDEC存儲(chǔ)協(xié)會(huì)正式發(fā)布了DDR5 SDRAM的標(biāo)準(zhǔn)（JESD79-5）,，內(nèi)存的頻率相對DDR4的標(biāo)準(zhǔn)頻率有了大幅的提升，總傳輸帶寬也提升了38%,，但是還是和GDDR6的帶寬有一定的差距,。如圖2所示[2]，GDDR6和DDR4/5的帶寬對比。
圖2 GDDR與DDR帶寬發(fā)展對比
如果實(shí)現(xiàn)同一個(gè)大帶寬存儲(chǔ)的應(yīng)用,，在提供相同的存儲(chǔ)器帶寬的情況下,，無論在設(shè)計(jì)復(fù)雜度，PCB占用面積,，還是在功耗方面,，與DDR4相比，GDDR6的性能都有很大的提高,，如圖3所示[2],。
圖3 GDDR6和DDR4性能對比
4. GDDR6 和 HBM2的比較
HBM全稱High Bandwidth Memory，最初的標(biāo)準(zhǔn)是由JEDEC在2013年發(fā)布,。2016年1月,，HBM的第二代HBM2正式成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HBM的出現(xiàn)也是為了解決存儲(chǔ)器帶寬問題,。與GDDR6不同的是,，HBM內(nèi)存一般是由4個(gè)或者8個(gè)HBM的Die堆疊形成，我們稱之為一個(gè)Stack,。如圖4所示[4],。
圖4 HBM Die的堆疊
我們以市面上帶有HBM2的高端 FPGA為例，這個(gè)系列的FPGA集成了1~2個(gè)這樣的HBM2 Stack,。兩個(gè)Stack之間是相互獨(dú)立的,，各自有自己的地址空間。每個(gè)Die都有獨(dú)立的兩個(gè)128bit的Channel,，所以4個(gè)Die 8個(gè)通道就是1024bit的位寬,，HBM2的頻率是900MHz，按DDR的方式訪問,，一個(gè)Stack總共帶寬是 900（MHz）x 2（DDR）x 1024（位寬）/8 = 230GB/s,，兩個(gè)Stack最高可以到460GB/s的帶寬。
Achronix的Speedster 7t FPGA集成了8個(gè)GDDR6的硬核,，每個(gè)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,，略高于帶HBM2的FPGA存儲(chǔ)器帶寬,。
從成本上來看，目前GDDR6與HBM2相比有著很大的優(yōu)勢,，HBM2技術(shù)工藝要求高,，目前芯片的良率和產(chǎn)量都會(huì)受到很大的影響。同時(shí)GDDR6使用起來更靈活,，使用片外的DRAM,，可以根據(jù)應(yīng)用要求，選擇不同速率,，不同容量的GDDR6顆粒,。HBM2的優(yōu)勢在于集成度高，不占用PCB板的面積,。圖5是DDR4,、GDDR6和HBM2在成本上的一個(gè)綜合比較。
圖5 DDR4 vs GDDR6 vs HBM2
5. GDDR6 技術(shù)細(xì)節(jié)以及Clamshell模式
GDDR6結(jié)構(gòu)如圖6所示[3],。它是采用16n Prefetch結(jié)構(gòu),，一次寫操作或者讀操作的數(shù)據(jù)是16n。每個(gè)GDDR6顆粒有兩個(gè)獨(dú)立的通道,，每個(gè)獨(dú)立的通道訪問獨(dú)立的內(nèi)存空間,。對于每個(gè)通道，讀或者寫的位寬是256bit或者32Byte,。P-to-S converter是一個(gè)并變串的轉(zhuǎn)換器,，把每個(gè)256bit位寬的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16位總線，每位總線上傳輸16bit的數(shù)據(jù),。這樣GDDR6每個(gè)通道最小的訪問粒度是256bit或者32Byte,。
根據(jù)GDDR6這樣16n 預(yù)取結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存儲(chǔ)陣列如果訪問周期是1ns,，則I/O上的數(shù)據(jù)率則是16Gbps,。
圖6 GDDR6顆粒結(jié)構(gòu)
一個(gè)GDDR6控制器支持兩個(gè)獨(dú)立通道，一個(gè)GDDR6顆粒也是兩個(gè)獨(dú)立的通道,，所以在通常模式下,，一個(gè)GDDR6控制器對應(yīng)一個(gè)GDDR6的顆粒，用x16模式,，實(shí)現(xiàn)最高512Gb/s的帶寬,。
因?yàn)槟壳笆忻嫔螱DDR6顆粒的最大容量是16Gb，在有些應(yīng)用中如果對容量有一定的要求,，可以使用一種叫Clamshell的連接方式,，如圖7[5]所示，每個(gè)GDDR6控制器連接兩個(gè)GDDR6顆粒,，每個(gè)GDDR6的顆粒用x8模式,，這樣在這種Clamshell模式下，帶寬不變,，但是支持的GDDR6的容量翻倍了,。
圖7 GDDR6的Clamshell模式
6. GDDR6 在7t1500上的讀寫效率
最后，我們測試一下7t1500上GDDR6控制器的讀寫效率,，所有的測試結(jié)果基于仿真數(shù)據(jù),。測試環(huán)境如圖8所示,。因?yàn)?t1500包含了片上網(wǎng)絡(luò)（NoC），并且NoC已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了仲裁,，時(shí)鐘域轉(zhuǎn)換的邏輯,，我們用三個(gè)用戶邏輯通過NoC去訪問同一個(gè)GDDR6 Channel，得到的綜合讀寫效率更能反映用戶實(shí)際運(yùn)用中的場景,。
圖8 GDDR6讀寫效率測試架構(gòu)
在不同的突發(fā)長度和不同的地址訪問方式下的測試結(jié)果如圖9所示,。
圖9 GDDR6讀寫效率
參考文獻(xiàn)：
1.The Digitization of the World From Edge to Core 2018
2.Extending the Benefits of GDDR Beyond Graphics by Micron
3.TN-ED-03: GDDR6: The Next-Generation Graphics DRAM Memory Array Prefetch and Access Granularity
4.Samsung網(wǎng)站：www.samsung.com
5.Micron網(wǎng)站：www.micron.com
6.Achronix網(wǎng)站：www.achronix.com
