赛灵思重磅发布全球带宽及计算密度最高的Versal Premium ACAP自适应平台

热度7票  浏览94次 【共0条评论】【我要评论 时间:2020年3月12日 14:19

3月11日,赛灵思正式对外宣布推出其Versal ACAP 产品组合第三大产品系列—— Versal™ Premium。该系列产品具备高度集成且功耗优化的网络硬核,是业界带宽最高、计算密度最高的自适应平台。Versal Premium 专为在散热条件和空间受限的环境下运行最高带宽网络,以及需要可扩展、灵活应变应用加速的云提供商而设计。目前,Versal Premium系列已提供文档,客户可立即使用Versal Prime评估套件开始原型设计,并预计将于2021年上半年开始为早期用户提供样品。

图1 赛灵思全新Versal™ Premium ACAP平台

据介绍,Versal 是业界首款自适应计算加速平台( ACAP ),是一个功能远超常规芯片架构的革命性全新异构计算器件类别,采用台积电( TSMC )7nm工艺制程打造而成,融软件可编程能力与动态可配置硬件加速、预制连接和安全功能为一体。,赛灵思产品线营销与管理高级总监Sumit Shah介绍说:“ 作为Versal ACAP的最新产品系列,Versal Premium 系列可提供比当前 FPGA 高达三倍的吞吐量,且内置以太网、Interlaken 和加密引擎以打造快速、安全的网络。该系列提供了当前部署主流 FPGA 两倍的计算密度,同时还面向持续扩展的多元化且不断演进的云工作负载及网络工作负载,提供了灵活应变的能力。”

图2 赛灵思产品线营销与管理高级总监Sumit Shah

赛灵思是FPGA领域的领头羊,一直致力于向业界推出优秀的硬件产品。不过,随着整个世界移动互联应用的蓬勃发,以及FPGA 的广泛普及和大势所趋,赛灵思明锐的发现,平台化是未来非常重要的发展方向,它能够更快地帮助客户快速推出产品,也可以吸引到更多的开发者。于是早在六七年前,赛灵思就开始从器件到平台的战略转型,并于2018 年3月推出了 ACAP( 自适应计算加速平台) 这一全新器件物种, 并在同年10月发布首款ACAP -Versal 产品系列。在过去两年,赛灵思已经在整个产品系列发布了Versal AICore 系列产品和Versal Prime 基础系列。此次发布的Versal™ Premium是ACAP的第三大产品系列。据介绍,赛灵思大中华区销售副总裁唐晓蕾介绍,Versal™ Premium是在 Versal Prime 的基础上打造的旗舰级产品,旨在为高端市场提供更高带宽、更高计算密度的应用。

图3 赛灵思大中华区销售副总裁唐晓蕾

下面,我们来详细拆解Versal™ Premium的技术创新及性能表现。

最大创新亮点:集成规模

随着摩尔定律的重要性逐渐走向消亡,晶体管不会自然而然变得更快、功耗及成本的降低也变得越来越难,如何通过创新去突破芯片节点式的技术推进成为当前关注的热点。赛灵思高端 ACAP 与 FPGA 高级产品线经理MikeThompson介绍说:“Versal™ Premium突破了集成功耗优化的网络硬核,它的的最大创新都是来自于集成。”

图4 赛灵思高端ACAP与FPGA高级产品线经理Mike Thompson

据介绍,Versal™ Premium的集成非常丰富,涵盖了应用处理器、实时处理器、平台控制器、存储器界面以及各种各样的连接。我们首先来看Versal ACAP一个非常重要的差异化特点,即具有片上可编程网络。传统高性能、高带宽的设计经常会碰到路径上的一些瓶颈,而Versal™ Premium片上可编程网络就可以解决这个问题。如图5,如果仅用以太网和加密引擎的话,把它用到赛灵思上一代FPGA UtraScale+ 则需要22个 FPGA。这样的创新使得ACAP尤其是VersalPremium能够超越摩尔定律的限制,能够专注于下一代高带宽和处理能力。通过这样异构集成,可以帮助客户大大降低资本支出和运营成本。

图5 网络IP集成提供了等效22个FPGA的逻辑密度

紧接着,我们再来看看Versal™ Premium的集成外壳。如图6所示,左侧是一个高端Virtex UltraScale+TMVU9P的布局,一共有四个存储器、控制器,而且还有PCle+DMA,红色和黄色部分是为了实现这些逻辑器和路径所需要配置的资源。这个器件有1/3或者20万个LUT都用于基础设施和连接。右边是Versal器件,同样的设计,由于使用了硬化的硬核,它消耗通用逻辑资源是0。

图6 集成外壳释放更多逻辑用于定制

Versal 是一个自适应计算加速平台,它是软件可编程的芯片基础设施,而且带有预置的连接。这个平台可以在启动时就和系统和主机进行交谈。它还有专门的界面,比如说PCle、DDR4和以太网。另外还有平台管理控制器,主要在软件和嵌入式层面上进行管理。另外ACAP可以在启动时就和系统进行系统识别,可以在器件编程前就可以使用系统的资源。而在Versal™ Premium中,赛灵思又为其添加了很多独特的功能:首先是有PCLe、Gen5、DMA和CCIX;其次为了做PCLe的界面,又加上了CXL的支持;拥有最先进的112G PAM4收发器;在连接方面加入了600GInterlaken硬核,便于以太网的即时连接;在安全方面,加入了400G加密引擎用于加密。大规模异构式的集成能够帮助客户有效降低成本,更好地专注于差异化。这样的创新也使得ACAP尤其是ersal™ Premium能够超越摩尔定律的限制,能够专注于下一代高带宽和处理能力。

面向带宽、计算和网络安全的解决方案

当前,随着摩尔定律的放缓,以及大数据、AI、5G等产业的发展,网络流量大幅增长,来自多元化应用与工作负载的数据爆炸性增长,核心网面临巨大的压力。据相关数据统计,5G核心网年复合增长率预计为313%,带宽年复合增长率高达51%,计算与带宽端口速度超过摩尔定律,这对于计算能力和带宽都提出了前所未有的要求。

此外,除了性能扩展和成本是网络运营商的关注重点之外,安全和分析也是他们最为关心的内容。据日前F5发布的《2020 年应用服务状况报告(亚太版)》显示,亚太地区 82%的企业(全球:80%)正在实施数字化转型,而且日益注 重加快上市速度;86%的企业(全球:87%)采用多云,其中大多数企业仍在努力提高安全 性。然而,与本地数据中心相比,企业对于自己是否有能力承受公有云中应用层攻击的信心 要低得多。在亚太地区,76%的企业表示他们在安全方面的技能缺口最大。

正是基于这些行业背景,赛灵思推出Versal™ Premium,期望通过这款产品,能够帮助客户能够开始设计,并且随着发展需求不断去增产、升级。赛灵思预计,2011年2012年在核心网扩展的开支和投入都会大大增加,这将是一个非常有潜力的市场领域。

9Tb/s 的可扩展、自适应串行带宽

为支持业界应对这一挑战,Versal™ Premium 系列提供了高达 9Tb/s 的可扩展、自适应串行带宽。具体方法是将 112G PAM4 收发器与集成的网络功能模块用于核心网、城域网和数据中心互联( DCI )基础设施,将每端口带宽密度提高两倍,并降低时延高达 50%。这种预制连接可实现安全的多太位以太网( multi-terabit Ethernet ),灵活支持各种数据速率与协议。通道化以太网硬核能够以最小占板空间提供高达 5Tb/s 的吞吐量,同时高速加密引擎可提供高达 1.6Tb/s 的加密线路速率吞吐量,并支持 AES-GCM-256/128、MACsec 和 IPsec 。

图7 9Tb/s可扩展、自适应串行带宽

加速的关键:片上存储器带宽与容量

对于计算加速来说,存储器现有架构上有非常重要的瓶颈。Versal™ Premium的片上存储器能够进行定制的架构来符合具体算法的要求。如图8所示,Versal™ Premium提供1G片上存储器带宽,可以和计算引擎进行非常紧密地吻合,提高性能, 降低功耗、降低时延。片上存储前有 LUTRAM, 还有 BlockRAM 和 Ultra-RAM。另外Versal™ Premium上还有硬化的内存控制器,以及在DDR4、LPDDR4 等外部硬化的存储支持。另外在BlockRAM和Ultra-RAM方面,Versal™ Premium能够提供 123TB/s 片上存储器带宽。在计算加速性能方面,这是迄今为止,GPU无法企及的。

图8 加速的关键:片上存储器带宽与容量

面向安全网络的专用 IP 连接

Versal™ Premium有专门的硬IP的连接,它能够支持多速率以太网,一直可以到 400G。另外还有六线加密和Interlaken芯片界面。所有这些硬IP都可以释放硬件的潜力,让它实施一些高价值的功能,比如说网络遥测、虚拟化和数据包的处理。另外这种测试硬件的灵活应变性对于安全算法和AL/ML,即人工智能和机器学习非常重要。

图9 提供功耗优化的带宽密度

与此同时,全系列 IP 硬核主要有两种 PCIe 硬核,一种是 Gen5×8 ,带 DMA 和 CCIX 的;另一种是更轻量级的 PCIeGen5×4 。赛灵思预计,网络公司会使用这四个去做命令和控制。另外 100G 多速率以太网 MAC 可以支持所有以太网速率标准,从 100G一直到 10G,这个主要会用于和客户接触的界面。还有 600 以太网 MAC 也能够支持高带宽的交通应用,另外它能够支持的以太网速率最高可以达到 400G,也可以支持通道化的以太网,比如 说 65×100G 的以太网。

对Interlaken的连接或者是芯片到芯片的连接,Versal™ Premium有600G的Interlaken, 另外还有400G高速加密引擎,主要关注的是安全性,这些都是每张显卡上实现带宽密度提升的关键。随着技术的不断推进,市场需求的变化会非常快,Versal™ Premium可以很好地帮助客户适应不断变化的算法和新出现的安全威胁。

核心网应用在2023年将迎来爆发期

据介绍,Versal™ Premium系列旨在帮助超大规模数据中心用户为多元化的数据中心工作负载实现最高加速水平。将超过 120TB/s 的片上存储器带宽与可定制存储器层级相结合,能够减少数据移动从而消除相应的关键瓶颈,与此同时,还支持以嵌入式方式将预制连接与硬核集成到现有云基础设施中。从基因组学、数据分析和视频转码,到针对语音和图像识别的 AI 推断。如在现在行业比较关注的AI网络应用领域中可进行网络异常检测,通过对神经网络进行训练来识别正常的计算模式,一旦出现入侵或者是恶意软件事件,能够及时发现异常的流量。在计算领域的应用,Versal™ Premium在处理方面有很多非常通用的算法,如果是对象检测一般是Yolov2,如果是图像分类是 ResNet50。

虽然,行业预测均表示,2020年是5G的爆发年。不过Mike Thompson表示,核心网的建设要比无线网的投资晚两到三年,因此它的高峰期应该是在2023年,如果客户能够提前布局,做好开发和设计,就能够赶上2023年收入爆发的机遇。这也是赛灵思积极推进Versal™ Premium的原因所在。目前,客户已经可以开始用Versal™ Premium进行原型设计了,并且可以利用Versal Prime的评估套件做系统的界面测试。具体到Versal™ Premium,赛灵思现在可以提供下载文档, 2020 年下半年会开始提供工具, 2021年上半年开始芯片供货。

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