英特尔发布世界上最快的FPGA!

英特尔刚刚推出了Agilex M系列FPGA，支持PCIe Gen5、Optane持久内存、CXL和高速以太网。Agilex M系列中的一些FPGA还集成了HBM(高带宽内存)DRAM堆栈。

 

集成HBM DRAM堆栈对于FPGA来说并不是什么新鲜事，英特尔和AMD-Xilinx在好几年前就已经开始提供这种设备了。Xilinx于2016年底发布了其首个集成HBM的FPGA，即Virtex UltraScale+ HBM FPGA。英特尔第一代集成HBM2DRAM堆栈的FPGA家族是英特尔Stratix 10 MX FPGA，于2018年底发布。

 

Agilex M系列FPGA集成了最新、最快的第三代HBM2e DRAM堆栈，与第四代英特尔Xeon Scalable “SapphireRapids” CPU和英特尔Ponte Vecchio GPU使用的堆栈相同，用于提高性能。

 

将HBM添加到FPGA的主要原因是速度。当然，FPGA上最快的内存仍然是嵌入在可编程逻辑结构中的本地SRAM。这种内存的运行速度通常与FPGA中的逻辑一样快，但是容量有限。FPGA供应商试图在片上FPGA资源(包括逻辑、内存和DSP块)上创造“最佳”平衡，但最佳的资源平衡往往取决于应用程序，所以对于FPGA这样的通用设备来说，并没有最佳的平衡。

 

SRAM块会消耗大量内存，而外部接口的DDR SDRAM速度上要慢得多，因此FPGA制造商要为FPFA内存结构寻求一种中间存储技术。英特尔和Xilinx都选择了HBM。

 

将HBM DRAM堆栈添加到FPGA并不廉价，它们是每一代中速度最快的设备，所以价格昂贵。需要这种内存速度的应用包括云加速、400GbE和800GbE网络、下一代网络防火墙、8K(或更高)广播视频设备、军事和航空相控阵雷达，甚至高速测试和测量设备。在这些应用程序中，FPGA成本是次要的，速度为王。

 

与Stratix 10 MX FPGA中使用的HBM2内存相比，英特尔Agilex M系列FPGA封装的两个HBM2e DRAM堆栈将高速DRAM容量提高了一倍，最高可达32 GB。每个HBM2e DRAM堆栈还将内存带宽提高到410 GB/s，总内存带宽为820 GB/s。与英特尔Stratix 10 MX FPGA相比，带宽增加了60%。额外的内存带宽为Agilex M系列FPGA迎接更具挑战性的系统设计提供了可能。

 

对于许多系统设计来说，32GB的内存容量是不够的，因此Agilex M系列FPGA还通过硬内存控制器支持外部DDR5和LPDDR5 SDRAM。DDR5和LPDDR5 SDRAM是目前可用的速度最快的主流SDRAM内存。Agilex M系列内存控制器也支持QDR-IV SRAM。

 

Agilex M系列FPGA还支持英特尔的Optane持久内存，其速度比SDRAM慢，但容量更大。

 

Agilex M系列FPGA的内存控制器可以以5600 Mtransfers /s的速度运行DDR5 SDRAM，每个通道的数据宽度可达80bit。Intel透露，如果结合封装内的HBM2e DRAM和外部的DDR5 SDRAM内存带宽，得到的理论最大内存带宽为1.099 TB/s（假设8个DDR5 SDRAM内存连接到FPGA上）。这个内存带宽是很大的，而且还不包括逻辑结构内部SRAM的内存带宽。

 

在可编程逻辑结构上实现超过TB/s的数据传输，再加上HBM2e和DDR5存储，这对于最有经验的FPGA开发团队来说也是一个相当大的挑战。所以英特尔FPGA设计团队为Agilex M系FPGA开发了一种双硬化片上网络 (Network on Chip，简称NoC)。

 

这是英特尔第一个包含硬NoC的FPGA。如下图所示，Agilex M系列NoC显然不是一个通用的NoC。Xilinx Achronix Speedster 7t FPGA中使用的是通用NoC，可以连接各种片上计算单元、I/O端口以及内部和外部内存。Agilex M系列NoC的设计目的是在FPGA的内存、I/O端口和可编程逻辑中的M20K SRAM块之间传输数据，而不是在逻辑结构中的计算单元之间传输数据。

 

从上图可以看出，Agilex M系列NoC分为顶部和底部内存NoC。顶部和底部内存NoC组件每个都扩展了20个256位垂直网络段到可编程逻辑结构中，将NoC连接的HBM2e和DDRSDRAM存储器的读数据传输到M20K SRAM块。每个垂直段的峰值带宽为22.4 GB/s。

 

每个垂直段从顶部或底部内存NoC延伸到逻辑结构的一半。这些垂直的NoC段连接到嵌入在FPGA可编程逻辑结构中的M20K块，并且它们只能实现单向传输数据：从HBM2e和DDR存储器到M20K块。写数据到HBM2e和DDR存储器必须通过逻辑fabric，具体如下图所示。

Top和Bottom内存NoC通过256位的AXI4启动器连接到逻辑fabric，通过UIB块连接到HBM2eDRAM，通过IO96连接到DDR SDRAM和I/O端口。NoC通过网关（图中的S）将数据从源端传输到目的端，每个AXI4启动器可以通过NoC中的全交叉条与NoC中的每个AXI4目标器通信。

 

NoC就像FPGA中的高速公路，它不消耗FPGA的内部可编程逻辑。Agilex M系列双NoC的总峰值带宽为7.52 Tbps，大大降低了内存瓶颈的可能性。

 

高端应用的FPGA必须包括高速SerDes收发器，而M系列FPGA包含多达72个高速收发器，其中8个收发器使用PAM4调制，速度为116Gbps。这些SerDes收发器支持各种最新的高速串行协议，包括400G以太网，可以使用PCIe Gen5和CXL接口协议直接连到CPU。

 

对于其计算能力，英特尔在Agilex M系列FPGA中加入了多达12,300个可变精度浮点DSP块，能够提供18.5个单精度TFLOPS或88.6个INT8 TOPS。

 

在AMD-Xilinx系列FPGA中，与Agilex M系列FPGA的对标的是Versal HBM ACAP，也添加了HBM2e DRAM堆栈作为内存层次结构的一部分。

原文链接：

https://www.eejournal.com/article/intel-announces-worlds-fastest-FPGAs-with-in-package-hbm-the-intel-agilex-m-series-FPGAs/

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