FPGA引入全新架構
——HyperFlex

本刊記者 薛士然

FPGA引入全新架構
——HyperFlex

本刊記者 薛士然

在因智能手機發展而不斷發酵的移動互聯網時代，功耗已經成為電子產品極為搶眼的一個參數。只強調性能提升的摩爾定律發展至今，也越來越受到挑戰，在CPU性能不斷提升的同時功耗成為無法回避的問題，許多公司都在不斷尋求找到二者最佳結合點的解決方案。

隨著技術的不斷發展，FPGA的應用領域也在不斷擴大，“FPGA+CPU”出現在越來越多的解決方案中。最近，微軟宣布使用FPGA來加速“Bing”搜索，Intel的Xeon處理器結合FPGA來實現CPU的加速。正如Altera公司亞太區副總裁Erhaan Shaikh所說，使用FPGA技術能夠在提升性能的同時大大降低功耗。

FPGA中引入HyperFlex架構

近日，Altera發布了一款最新的產品——Stratix 10，其集成了4個64位Cortex-A53ARM處理器。這款新產品最大的亮點就是采用了HyperFlex架構。在FPGA中，布線資源連通其內部的所有單元，而連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅動能力和傳輸速度，布線造成的延時也是造成FPGA性能瓶頸的一個主要因素。如果只是單純地采用更寬的總線，非但不能解決問題，還會增加阻塞，而HyperFlex架構恰好可以解決這一問題。

Altera產品營銷資深總監Patrick Dorsey非常詳細地解釋了HyperFlex架構：簡單地說，就是把寄存器放在邏輯單元之中，與FPGA實現一個配合。在HyperFlex架構中，實現了無所不在的寄存器安放，即HyperFlex體系結構在所有內核互聯布線段上引入了寄存器，整個布線中會有上千萬的寄存器存在，把傳統結構中布線帶來的總延時進行分割，提升FPGA的信號傳送頻次，這樣能夠大大減小布線的總延時，進而提高FPGA的性能。

HyperFlex架構不僅使Stratix 10的性能提升了兩倍，而且使功耗降低了70%，這是因為內核邏輯性能提高2倍后，不再需要很寬的數據通路，使用的資源變少了，功耗也就隨之降低了。

Stratix 10采用lntel 3D封裝工藝

Patrick表示現在他們面臨一些需要解決的問題：第一個是現在數據吞吐量非常大，已經達到56Gbps量級，在單一芯片中實現這樣大量的數據傳輸是非常困難的；第二個是客戶希望Stratix 10能夠支持更多的標準和協議，包括一些還沒有被確定為標準的協議，而同時又希望盡快拿到芯片；第三個是調制格式問題，即兩個芯片之間怎樣進行通信，隨著產品性能要求越來越高，芯片之間通信的方式也變得更加具體化，所以當一個邏輯與另外一個器件進行通信的時候，使用到的引腳必須得到很大程度的優化，使這兩個芯片能夠以一種很具體的方式來實現溝通。

為了解決上述的幾個問題，Altera設計了這樣一種芯片，在一個封裝之上可以放置多個裸片，這就是Stratix 10。其中的裸片像瓷磚一樣，一個個貼到FPGA和它的邏輯單元中間，實現協議與協議之間的連接或者I/O的連接。Stratix 10中的裸片非常獨特，每一個裸片都是單片的，其性能非常高，能夠非常順暢地與其他芯片進行通信。恰好，Intel有嵌入式多管芯互聯橋接封裝技術，能夠實現多個裸片之間的高效連接，所以Altera采用Intel 14nm三柵極工藝技術制造，實現了更高的收發器速率，支持新出現的調制格式（PAM-4），支持PCIe Gen4、多端口以太網通信標準，進而提高了產品性能，降低了復雜度和成本。

獨特的設置保證Stratix 10的安全性

為了保證應用的安全性，Stratix 10中增加了一個安全器件管理器（SDM），每一個客戶可以進行獨特的設置，這樣產品的安全性能就得到了極大的提升。一個FPGA中會涉及到500多萬個邏輯單元，Altera把這些邏輯單元分離開來，在每一個單元上面增加一個安全芯片來保證系統的安全性。例如那些提供云服務的供應商，采用Stratix 10做設計，就可以把某一客戶的應用與其他客戶的應用分開，充分保證客戶應用的安全性。

Stratix 10集成4個Cortex-A53 ARM處理器

對于FPGA來說，集成ARM處理器是非常重要的，因為許多客戶都需要FPGA中有一個硬化的ARM處理器來做相關設計。Stratix 10定位于高端應用，它集成了4 個64位Cortex-A53ARM處理器，因為Cortex-A53和Stratix 10的目標市場是一致的，都是面向通信基礎設施、企業和數據中心應用的。

在數據中心應用中，客戶原來需要采用5片Stratix V才能實現的性能，現在一片Stratix 10就能輕松實現，而且功耗還能降低一半以上。因此采用Stratix 10做設計，帶來的不僅是設計成本的降低，更重要的是后期運行成本的降低也是非常可觀的。