Achronix在其先进FPGA中集成2D NoC以支持高带宽设计（WP028）

随着旨在解决现代算法加速工作负载的设备越来越多，就必须能够在高速接口之间和整个器件中有效地移动高带宽数据流。Achronix的Speedster®7t独立FPGA 芯片可以通过集成全新的、高度创新的二维片上网络（2D NoC）来处理这些高带宽数据流。Achronix的FPGA中特有的2D NoC实现是一种创新，它与用可编程逻辑资源来实现2D NoC的传统方法相比，有哪些创新和价值呢？本白皮书讨论了这两种实现2D NoC的方法，并提供了一个示例设计，以展示与软2D NoC实现相比，Achronix 2D NoC是如何去提高性能、减少面积并缩短设计时间。

介绍
Achronix为其Speedster7t系列FPGA完全重新设计了片上通信架构，通过集成创新的2D NoC来适应高带宽数据流的需求。在该FPGA器件的外围，这个2D NoC连接到所有高速接口：包括多个400G以太网、PCIe Gen5、GDDR6和DDR4/5端口。在该FPGA内的可编程逻辑阵列上部署了一系列高速行和列通道，它们分别向FPGA可编程逻辑阵列的水平和垂直方向分配网络流量。除了这些行和列之外，在NoC的每一行和每一列交叉的位置还有发送点和目标NoC访问节点（NAP）。这些NAP充当NoC和位于可编程逻辑阵列中的资源之间的源或目的地。

为了将Achronix FPGA中内置的2D NoC，与使用传统方法在可编程逻辑阵列中创建的NoC进行比较，为此我们评估了几种软NoC设计；最后，基于同行评审和FPGA结构的可移植性，我们选择了米兰理工学院的软2D NoC（https://github.com/agalimberti/NoCRouter，2017）设计。这种软NoC在单向网状网络（mesh）中实现了虫洞前瞻预测切换。在实施时，它需要每个mesh节点上的多个存储器来存储和转发流控制单元（flit）。

为了量化片上2D NoC实现模式和使用逻辑阵列资源的软实现模式之间的差异，首先创建了一个实例化AlexNet 2D卷积的19个实例设计，然后在完整的2D NoC设计之间比较了三个主要指标：所需资源、设计性能和设计时间（创建设计的时间以及在工具中编译设计的时间）。其结果是在所有三种情况下，集成Achronix 2D NoC的性能都明显优于软实现。

2D NoC减少使用的资源
为了比较两种不同的2D NoC设计，两种2D NoC都与现有的2D卷积（conv2d）设计相结合。conv2d设计对输入图像执行AlexNet 2D卷积。此conv2d设计需要一个或两个AXI-4连接：一个用于从内存读取，一个用于写入内存，或者一个共享的AXI-4执行读取和写入。为了实现与软NoC的最佳集成，选择了单个共享AXI-4接口，conv2d模块的实例位于每个mesh节点。然后，软NoC启用了GDDR6存储接口的数据入口和出口——在软NoC中，内存接口连接到第20个mesh节点上；而在内置式NoC中，这种连接已经存在。在整个设计中，从GDDR6到每个conv2d节点都存在节点到节点通信，但conv2d节点之间不通信。

Achronix 2D NoC的设计细节
该设计有19个conv2d模块实例，每个实例都访问GDDR6存储器。第20个实例是空闲的，因为GDDR6接口直接连接到集成的2D NoC。80个可用的NoC接入点（NAP）中有38个用于连接到conv2d实例。每个conv2d实例使用64个机器学习处理器（MLP），它在垂直方向覆盖两个NAP。由于这种部署是针对内置2D NoC，所以采用双AXI-4方法连接conv2d模块。下表列出了本设计中使用的资源。

表1：Achronix 2D NoC使用的资源

使用Achronix FPGA集成的2D NoC，可为设计布局产生了一种不凌乱的、可重复的结构，并且只消耗了不到一半的器件资源。下面是AC7t1500器件中资源使用的平面图。

图1：在AC7t1500中使用Achronix 2D NoC布局实例

软2D NoC的设计细节
该设计被配置为5 × 4规模mesh，具有19个conv2d模块实例，每个实例都连接到一个软NoC节点。其第20 mesh节点是为GDDR6接口预留的。因此，需要更多的逻辑资源来管理软2D NoC结构。此实现还需要每个节点上的存储，以便存储flit并将其转发到下一个节点。结果是显著提高了资源的使用量，以及在器件上的不规则布局。下表列出了使用的资源；下图为AC7t1500所用资源的平面图。

表2：软2D NoC使用的资源

图2：使用软2D NoC布局实例

2D NoC提高性能
如前所述，通过使用Achronix 2D NoC，conv2d设计产生了规则的资源布局，从而形成规则的布线。减少了逻辑资源使用就减少了拥塞，因为需要布线的逻辑更少。该解决方案实现了最高565 MHz的频率，关键路径包含在conv2d实例逻辑中。随着更多conv2d节点添加到设计中，最大频率不会降低。
下图显示了使用Achronix 2D NoC时产生的布线

图3：使用Achronix 2D NoC的cnv2d设计布线

使用软2D NoC解决方案会导致复杂且不规则的布线，同时时序也受到影响，因为需要深度LUT逻辑来选择软2D NoC中的适当路径。

此外，性能会随着mesh网络大小的增加而降低。使用2 × 3 mesh的设计可以达到94 MHz，而5 × 4 mesh只能达到82 MHz。关键路径包含在软NoC mesh网络中，而不是在conv2d逻辑中。如果花更多时间优化设计以提高性能，则可以进一步优化软2D NoC的时序。

下图显示了使用软2D NoC设计时生成的布线。

图4：使用软2D NoC时的cnv2d设计布线

2D NoC改善了带宽
Achronix的2D NoC使用运行速度在2 GHz的256位双向总线，每个conv2d实例连接到两个NAP，从而在一个节点上与GDDR6接口之间的连接可实现的最大带宽为512 Gbps。下面的框图显示了2D NoC和一个连接到本地conv2d实例的NAP的细节。

图5：Achronix的2D NoC和NAP

软2D NoC使用五路交叉开关（crossbar switch），其中一个端口与本地conv2d实例通信，而其他端口与网格中的下一个节点通信。该解决方案可以实现节点到节点连接的频率为82 MHz，从而在一个节点上形成最高为21 Gbps的GDDR6接口带宽。下面的框图显示了软2D NoC mesh中的一个交叉开关。

图6：软2D NoC交叉开关

2D NoC缩短了设计时间和工具运行时间
Achronix的2D NoC采用AXI-4标准与NAP通信，这是许多FPGA设计人员已经熟悉的接口标准。此外，2D NoC包括内置功能，例如跨时钟域逻辑、流量控制和地址解码等，这些功能不再需要包含在用户逻辑中。Achronix的2D NoC的全功能实现为用户省去了大量的设计工作，使设计人员能够专注于连接到2D NoC的加速器。

除了缩短设计时间外，使用Achronix片上2D NoC的设计比使用软2D NoC的设计使用更少的资源。结果是需要布局和布线的逻辑更少，从而使得工具的编译时间更短。例如，与使用软2D NoC的实现相比，使用Achronix片上2D NoC的设计布局和布线所需的时间不到一半。

结论
集成2D NoC的Speedster7t器件创新地带来了FPGA设计过程的根本转变。Achronix是第一家集成2D NoC的FPGA公司，它连接所有系统接口和FPGA逻辑阵列。这种新架构使Achronix FPGA器件特别适用于高带宽应用，同时显著提高了设计人员的工作效率。由于2D NoC管理着从设计在FPGA逻辑阵列中的数据加速器到高速数据接口之间的所有网络功能，因此设计人员只需设计他们的数据加速器并将它们连接到NAP接入点。与使用软2D NoC相比，设计人员可以受益于以下优点：